4. 제어부

4.1 작동 프로세스
4.1.1 작동 프로세스 개요

RF MODEM A3007B는 UART 통신 방식을 지원하므로 목발의 MCU와 UART 방식의 통신을 한다. 목발의 MCU는 목발 밑에 부착된 스위치가 ON이 되거나 일어서기/앉기 스위치가 ON이 될 경우에 RF Modem이 해당 모드에 맞는 신호를 보내도록 한다. RF Modem 간의 통신을 통해 메인 MCU가 신호를 받아들이면 RS485 통신 방식을 사용하여 2개의 모터컨트롤러가 작동될 수 있도록 한다. RS485는 1:n의 통신방식을 지원하기 때문에 2개의 통신포트를 가지고도 여러 개의 통신을 할 수 있다. 메인 MCU의 UART0 포트는 RF Modem의 수신부와, UART1의 포트는 2개의 컨트롤러와 각각 연결된다.

기존목발에 스위치를 부착하여 양 목발이 순차적으로 ON 상태가 되면 모터가 작동하여 걸음이 가능하도록 설계한다. 스위치와 모터의 연결은 RF Modem을 사용한 무선통신으로, 보행에 방해가 되지 않게 한다.

4.1.2 걷기

양 목발이 동시에 땅을 짚을 경우, 4점 보행법으로 작동한다. 고관절부의 엉치뼈에 장착된 모터가 1차로 구동이 되어 허벅지 부분을 들어 올려주며, 순차적으로 무릎 부분의 모터가 구동을 시작하여 무릎을 일정한 각도까지 굽혀준다. 허벅지 부분의 모터 구동이 잠시 멈추면 무릎 부분의 모터가 작동하여 보행이 가능한 일정각도까지 무릎을 펴줌과 동시에 장애인은 목발에 하중을 싣고 몸을 앞으로 숙여 발바닥이 땅에 닿도록 한다. 한쪽 발바닥이 발바닥에 고정되고 목발에 일정한 압력이 다시 가해지면 반대쪽 발이 같은 원리로 구동을 시작한다.

4.1.3 앉기/일어나기

의자에 앉거나 일어나는 경우는 목발에 부착된 별도의 스위치를 사용하여 구동하도록 한다. 스위치를 사용하여 앉는 경우엔 무릎부의 모터가 중심이 되기 때문에 걸을 때에 비해 큰 각도로 회전하며, 엉치뼈 부분의 모터가 추가적으로 회전하여 허리를 숙이게 함으로써 의자에 앉는 것이 가능하게끔 한다.

일어나는 경우, 모터가 앉는 경우와 반대로 회전하여 일어서는 것을 도와준다. 이 때, 사용자는 최대한 목발에 의지해 몸의 무게중심을 앞으로 쏠리게 하여 무릎부분 관절에 가해지는 힘을 분산시키도록 한다.

4.2 회로도

4.2.1 전원부

4.2.2 스위치 및 LED

스위치 및 LED회로

외부 스위치 회로

4.2.3 RF Modem 회로

RF 송수신 회로

4.3 작동 소스

사용 프로그램 | ATMEL사에서 제공하는 AVR Studio프로그램을 사용.
4.3.1 RF Modem(송신부)

4.3.2 RF modem(수신부) :main MCU

5. 제작 과정

5.1 부품 사진

5.1.1 설계부

135 브라켓

허벅지 관절부와 무릎 관절부 발목을 잇고, 지탱해주면서 몸에 최대한 밀접하게 붙게 하는 뼈대 브라켓이다.

베벨기어박스

Base plate(고 관절부)

모터 크라켓

허리 관절면

Base plate(무릎 관절부)

모터 브라켓

무릎 관절면

기어	Gear Box(하단 기어 중심 고정부)

Gear Box(측면 기어 중심 고정부)

Gear Box(옆면 고정부)

Shaft(하단 기어)

Shaft(측면기어)

로터 플랜지

렉 플레이트

풋 플레이트

힌지 핀

5.1.2 제어부

90W

150W

모터 컨트롤러

MOXA 232 to 485 컨버터

RF 모뎀을 부착시킨 AVR 보드

5.2 조립 사진

직접 제어한 기어 박스 내부

목발 바닥에 부착한 스위치

모터와 컨트롤러 연결 사진

고관절부 착용 사진

발목부분 착용 사진

보드를 부착한 목발

조립완성한 사진 1

조립완성한 사진 2

5.3 제작 과정

브래드보드 시험 중인 Atmega128

송신 테스트 중인 A3007B과 직접 만들었던 회로의 실험 모습

착용 후 모습

착용 후 일어나는 과정

6. 결론

6.1 설계 쪽 실패과정 & 해결방안

전체적인 기구부가 커지는 것을 막기 위해 모듈1의 베벨기어박스를 사용하였으나, 소형 베벨기어였기 때문에 큰 토크에서 견디는 힘이 부족했다. 기구부만 작동시키는 데에는 큰 무리가 가해지지 않았으나 사람이 착용하고 구동한 경우, 앉기 동작에서 문제가 발생하였다. 사람이 의자에 앉는 경우 하중이 뒤로 자연스레 쏠리는 것을 미처 계산하지 못한 바람에 기어 이빨이 손상된 일이 있었다.

따라서 무릎에 가해지는 토크를 보다 잘 견딜 수 있도록 기존보다 큰 2.5 모듈의 베벨기어로 바꾸었다. 결과적으로 이빨의 크기가 커져서 전체적인 기어박스 및 기구부의 크기도 덩달아 커졌지만 상대적으로 견딜 수 있는 토크의 크기도 커졌다.

6.2 제어 쪽 실패과정 & 해결방안

ATmega128 보드를 직접 만들기 위해 브래드 보드에 꽂아 실험할 수 있는 UST-MPB-ATmega128 제품을 이용하여 기본적인 회로들을 확인하였다. 납땜을 하기 전 RF 모뎀 회로를 체크하기 위해 브래드 보드로 전원 회로 및 기본적인 송수신 회로를 작성한 후, PCB에 납땜을 하였다. 기본적인 RF 회로 및 스위치 회로는 납땜을 하여 확인을 하였으나, max232 회로 등이 제대로 작동을 하지 않았으며 잦은 브래드 보드 실험 및 전원 회로부에서 꼬인 회로들로 인해 대부분이 쇼트가 나서 max232의 회로를 확인할 수가 없었다. 보드를 다시 제작하려 했으나, 시간상의 문제로 보드를 다시 만들 수 없다고 판단하여 보드 옆에 회로 판이 부착된 개발보드 기능의 AVR 모듈을 이용하였다. 이 AVR 보드에 RF modem 회로 및 필요한 스위치 회로만 추가로 납땜을 해서 필요한 보드를 완성하였다.

기존의 통신방식은 RS232통신을 이용하는 것이어서 추가의 회로가 필요하지 않았지만 후에 RS485로 통신방식을 바꾸면서 RS485와 관련된 회로가 필요하게 되었다. SN75176이란 IC를 사용하여 통신을 할 생각이었으나, 추가적인 회로를 납땜하는 것보다 컨버터를 이용하는 편이 효율적이라 판단하여 MOXA사의 TCC-80 이라는 RS232 to RS485 컨버터를 사용하였다.

구동 프로세스가 목발에 연결된 스위치에 힘을 가하면 목발 쪽 RF가 메인보드에 신호를 송신하고 이러한 RF신호 2개가 메인보드에 수신되어야만 모터가 작동하는 것이라서 컨트롤러 2개, RF modem까지 총 3개의 통신포트가 필요했다. 모터 제어부와 RF 제어부를 따로 작업하다보니 UART방식과 RS232 통신 방식이 충돌이 날거라는 것을 고려하지 못하였다. 그 문제점을 해결하기 위해 메인 MCU를 2개 사용하는 것으로 진행하였었다. MCU를 2개 사용하여 연동하는 것보다 1:n의 통신이 가능한 RS485방식을 택하는 게 효율적이라 판단하였고, 이를 통해 포트 2개로 2개의 컨트롤러 RF modem까지 3개의 통신을 해결할 수 있게 되었다.

6.3. 결론

무릎 부분에 힘이 많이 걸리는 것을 고려하여 무릎부 기어를 2.5 베벨 기어로 선정하였고 통신방식은 RS485방식을 선택하여 보드의 개수를 줄일 수 있었다. 실제적인 작동의 경우 기구부만으로 앉고 일어서기 및 걷기 동작은 구현이 가능하며, 현재 사람이 착용한 채 동작을 구현하는 것은 부분적으로 가능하다. 앉기 및 일어서기 동작의 경우 사람이 착용한 채 동작을 구현할 수 있었으나, 걷기 동작의 경우 기구부를 착용하는 팀원이 아직 목발 사용에 익숙치 않아 걷기 움직임이 조금 부자연스러운 관계로 일반적인 걸음걸이의 형태로 각도를 제어하였다. 사람마다 걸음걸이 방식이 조금씩 다르기 때문에 팀원의 목발사용 연습과 함께 차후에 구현할 팀원의 걸음걸이에 맞춰 시연할 예정이다.

7. 팀원 소개 및 역할 분담

이수영 : 해석 및 RF 통신

홍준호 : 가공 및 조립

정그림 : 해석 및 3D Modeling

한솔 : 모터 제어

심사평

장애를 가진 사람들의 보행을 보조하는 의료보조용 로봇을 제작하는 컨셉의 작품으로, 모터의 선정, 기구부의 디자인 등의 과정을 해석적으로 접근하는 방법이 좋은 작품이다. 또한, 요근래 이슈가 되는 의료 보조용 로봇을 학부생의 수준임을 감안하더라도 그 결과물의 정도가 좋았다. 그러나, 좀 더 다양한 아이디어, 예를 들면, 전류의 센싱을 통한 토크제어나 자세 추정 모듈을 통해 착용자의 넘어짐 방지 등을 시도했다면 좀 더 실용적 측면에서 좋은 성과가 나오지 않았을까 생각된다.

1. 개 요

본 보조기구는 고관절 이하가 전부 마비된 환자부터, 근력이 부족한 사람들까지 폭넓게 이용이 가능한 보행보조기구이다. 기존 보행기 타입인 부분 마비 장애인이나 노약자들이 직접 밀어야 하는 형태의 보행보조기구의 단점을 개선하고 모터, 센서 등을 사용하여 보다 자연스러운 움직임과 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 기구를 설계, 제작한다. 근력이 부족한 노약자들의 경우만 쓸 수 있었던 기존의 보조기구들에서 하반신이 전부 마비된 장애인으로까지 범위를 확대함과 동시에 보조기구가 사용자의 의도를 파악할 수 있도록 하였으며, 이를 통해 보다 안전하게 사용자 자신의 의지가 반영된 작동이 가능하도록 한다.

2. 기본설계

기본적으로 보조기구의 형태는 일반적인 걸음걸이가 가능한 사람의 관절형태를 토대로 하여 설계한다. 허리 부분에는 배터리를 장착함과 함께 장애인의 허리를 지지해 주는 지지대를 추가하며, 엉치뼈 부분과 무릎 부분에 모터를 장착하여 기본 구동을 조작한다. 배터리가 장착된 지지대 부분은 벨트 형식으로 처리하여 전체적으로 구동에 방해가 되지 않을 만큼 간편한 보조기구를 목표로 하며, 신체 접합부의 경우 적당히 굴곡을 줌으로써 접촉면을 증가시켜 착용 시 편안함을 느끼도록 한다. 발목부분은 움직임의 구속이 가능하도록 고정부를 설치하여 안전하면서 불편하지 않도록 설계한다.

·기준은 한국 남성 평균 체중과 키를 고려하여 175cm, 75kg으로 가정한다. 평균키에서 ±5~10Cm 가량 조절이 가능하게 설계한다. 걷는 것, 의자에 앉는 것과 일어나는 것이 가능하며, 2점 보행과 4점 보행의 선택으로 걷는 방식이 진행되는 것을 목표로 한다.

참고문헌 | 인체해부학(신광출판사)-박형우 저

2.1. 해 석

2.1.1. 모터 선정 과정

모터를 선정하기 위해 필요한 토크와 각속도를 구하기에 앞서 위에서 설정한 기준을 바탕으로 토크를 구하는 데에 필요한 하중을 구하였다.

(1) 토크 계산

두 동작 중 걷기동작의 초기상태는 일직선이고, 일어서기 동작의 초기상태는 계단형에서 시작하므로 일어서는 경우가 걷는 경우에 비해 토크가 많이 걸린다고 판단하여 일어서는 경우를 기준으로 움직임을 해석하였다. 움직임의 해석은 Solidworks Simulation의 모션해석 기능을 이용하였다.

Solidworks Simulation의 모션해석기능을 이용해 무릎과 엉치뼈 부분에 모터의 조건을 주어 회전하였을 경우 가해지는 토크를 구하였으며, 그 결과 값은 다음 그래프와 같다.

(2) RPM 계산

① 앉는 경우

4초 동안 엉치뼈가 80。, 무릎이 90。를 회전한다고 했을 때, 엉치뼈는 4.7rpm 무릎은 5rpm이 된다.

② 걷는 경우

한 발을 기준으로 2초 동안 엉치뼈가 20。, 무릎이 40。를 회전한다고 했을 때, 엉치뼈는 1.67rpm, 무릎은 3.33rpm이 된다.

2.1.2. 최종 모터 선정

P=T*w의 식을 이용하여 최종적으로 엉치 90W, 무릎 150W의 모터로 선정하였으며, 크기와 출력 및 무게 등을 고려하여 MAXON사의 모터로 선정하였다.

2.2 설계 방향

최대한 가볍고 간단한 구조를 목표로 한다.

① 고관절 및 허리 벨트부 설계 방향

- 엉치 뼈 모터를 고정할 수 있으며, 베벨 기어를 사용하여 모터의 움직임이 수직으로 축에 전달될 수 있도록 설계하였다.

② 무릎 관절 부분 설계 방향

- 고관절 부분과 전체적인 구조는 비슷하나, 종아리 및 허벅지 프레임과 간섭이 생기지 않도록 설계하였다.

- 모터 축과 수직으로 연결되도록 하였다.

③ 발목 부분 설계 방향

- 위의 분석결과를 토대로 모터를 장착하지 않고 복숭아뼈 부분의 움직임을 전후 10도, 총 20도로 제한할 수 있도록 하였다.

3. 상세 설계

본 작품을 착용할 사람을 기준으로 관절의 중심위치 및 하체부분의 길이를 측정하였다.

앞서 분석했던 결과를 통해 작품을 착용할 사람의 엉치 뼈, 무릎, 발목 부분에서 점 3개를 찾아 그 점을 기준으로 각 부분별 길이를 측정하였다. 오른쪽 그림은 옆면을 기준으로 사람이 서있을 때 점들 간은 일정 각도를 가지고 있다는 것을 참조하여 측정하였다.

위의 그림에서 검은 선은 뼈대를 나타낸 것이고, 파란 쇄선이 다리 면적의 이등분선을 나타낸 것이다.

3.1 3D 설계

① 고관절부

허리에 보호대를 덧대어 모터를 고정한 후 베벨기어를 이용하여 모터의 구동을 수직으로 전달한다. 길이조절을 위해 모터 고정부와 프레임과의 거리가 착용자의 고관절 위치에 따라 유동적으로 체결이 가능하게끔 하였고, 관절면의 경우 사람의 몸에 최대한 잘 접합되도록 밴딩 처리를 하여 프레임에 고정하였다. 관절면의 재질은 강도가 높은 Steel로 제작하여 충분한 힘을 버티고 전달할 수 있게 한다.

② 무릎 관절부

허벅지와 수평으로 모터를 고정하고 베벨기어를 이용하여 모터의 구동을 관절부에 수직으로 전달한다. 기어박스가 위치하는 관절부의 관절면의 경우 무릎의 회전중심점이 허벅지와 무릎의 중심축보다 앞에 있음을 고려함과 함께 종아리 프레임과의 연결을 자연스럽게 하기 위해 사선으로 관절면을 만들어 프레임과 고정하였다. 또한, 고관절부와 동일한 방식으로 밴딩 처리를 하였고 고정부에 길이조절부를 추가로 설계하였다. 종아리 부분의 프레임의 경우 종아리의 제일 두꺼운 부분을 기준으로 치수를 재어 최대한 사용자의 몸에 밀착될 수 있게끔 하였다. 종아리에서 두꺼운 부분을 지나 얇아지는 부분의 프레임을 절단하고 발목부분을 연결하는 고정면을 덧대어 발목부분을 구속시킨다. 관절면의 재질은 고관절의 관절면과 동일하게 Steel로 제작한다.

③ 발목

발목 부분의 전·후 10°의 움직임이 가능하도록 하였고, 발목 부분의 회전중심점이 복숭아뼈 부근이라는 것을 이용하여 관절부를 복숭아뼈의 위치와 같게끔 하였다. 착용자의 발을 신발바닥의 굽 홈에 걸어 들어 올리는 방식으로 제작하였으며, 힌지 핀을 완전한 원형이 아니라 약간의 움직임이 가능하게끔 해당 각도만큼 홈을 추가로 가공하여 발목 고정면에 고정한 나사를 이용하여 걸리게끔 구속조건을 주었다. 고관절부, 무릎 관절부와 마찬가지로 길이조절부를 추가로 설계하였다.

④ 길이 조절부 및 프레임

사람의 다리길이가 서로 다른 것을 고려하여 각각의 관절면에 길이 조절이 가능한 부분을 추가하였다. 나사를 이용하여 모터 고정부의 위치를 조절할 수 있게 하여 다양한 사람이 사용가능하게 하였다.

관절부를 제외한 전체 프레임의 경우 기성품 프로파일 중에 사람의 다리에 제일 잘 접합되는 프로파일을 찾아 설계에 이용하였다. 충분한 강도와 각도를 가진 프로파일을 가공하여 프레임으로 제작하였다. 프로파일의 가공의 경우, 모터 등을 고정하기 위해 프로파일 윗부분을 가공하여 평면을 만들고, 최대한 착용자의 몸에 밀착되게끔 다듬질을 하였다. 또한, 착용자의 몸과의 고정 및 밀착력이 증대되도록 도와주는 벨크로가 통과할 수 있도록 양쪽에 작은 홈을 내었다.

3.2 상세 도면

3.1 허리 부분 도면

① 배터리 케이스 및 컨트롤러 케이스

배터리 케이스와 컨트롤러 케이스 도면이다. 아크릴로 가공하였고, 허리부분에 장착하여 사용할 수 있게 제작하였으며 컨트롤러의 연결선에 간섭을 최대한 줄여서 설계를 하였다.

② 허리 부분 설계 도면

하체의 양쪽 기구부를 연결하여 전체적인 기구부의 고정이 되도록 한다. 양쪽 기구부의 연결은 기성품 경첩을 이용하여 각도를 용이하게 조절할 수 있도록 하였다.

③ 경첩

허리 부분을 감싸안을 수 있게 연결부분을 사각접이문 경첩(기성품)을 구매하여 사용하였다.

④ 고관절부

Base Plate

모터와 베벨기어를 연결해주면서 지지해주는 지지대이다. 90W 모터에 맞추어 설계하였으며 전체 기구의 경량화를 위해 추가적인 절삭가공을 하였다. 플레이트의 하단 부분의 8개의 나사구멍은 길이 조절을 위한 것들이다.

⑤ 모터 브라켓

90W 모터를 고정시켜주면서 지지대와 고정되는 역할을 하는 브라켓이다.

⑥ 허리 관절면

허리 부분의 모터의 힘을 전달하여 지탱하는 플레이트 암이다. 인체는 일자의 몸이 아니라 평균 허리아래 부분부터 몸이 안쪽으로 들어가는 것을 고려하여 약간의 각도를 주어 설계하였으며, 허벅지 프레임과 모터를 연결해주는 부분이므로 알루미늄보다 강도가 강한 스틸을 사용하였고 하단의 나사 구멍들은 길이조절을 위한 것이다.

⑦ 허리 관절부 기어박스

3.2 무릎부 설계

① 무릎 관절부 Base Plate

모터와 베벨기어를 연결해주면서 지지해주는 지지대이다. 150W모터에 맞추어 설계하였고, 전체 기구의 경량화를 위해 추가적인 절삭가공을 하였으며 하단부의 8개의 나사구멍은 길이를 조절할 수 있게 만든 나사 구멍이다.

② 모터 브라켓

150W 모터를 고정시켜주면서 지지대와 고정되는 브라켓이다.

③ 무릎 관절면

모터의 힘을 무릎 아래 부분과 연결해주는 플레이트 암이다. 무릎 부분은 인체 구조상 회전 중심점이 일직선이 아니라 무릎 뼈 앞부분에 있다는 것을 고려하여 인체에 최대한 접합되도록 설계하였으며, 모터의 동력과 기구부의 무게를 견뎌야 하므로 스틸을 사용하였다.

3.3 기어 및 기어박스

① 기어

기어 모듈 2.5 (기성품) 치수를 기준으로 그린 도면이다.

② 하단기어 중심 고정부

기어가 받는 힘이 크기 때문에 축과 기어에 안전하게 힘이 전달되도록 베어링을 2개 사용하여 힘을 지지하였다.

③ 측면기어 중심 고정부

하단기어가 흔들리지 않고 밀림이 없게 고정해주는 부분이다.

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④ 기어박스 (옆면 고정부)

기어의 중심을 모두 잡아 버티며, 두 기어축에 실리는 힘을 분산시키는 역할을 한다.

⑤ 샤프트 (하단 기어 및 측면 기어)

샤프트와 기어에 키 홈을 내어 헛돌지 않게 하였고, 기어에 받는 힘을 고려하여 단차가공을 하였다.

⑥ 로터 플랜지

모터의 힘을 받아 플레이트 암에 전달하는 로터 플랜지이다. 모터의 힘을 1차적으로 받기 때문에 강도 높은 스틸을 사용 하였다.

3.4 발 부분 설계

① 렉 플레이트

종아리와 발목 사이 역시 곡면이므로 그것을 고려하여 각도를 주어 설계하였고, 풋 플레이트를 지지하면서 기구 구동 시 발이 뒤로 빠지지 않게 보조해주는 역할을 한다.

② 풋 플레이트

구동시 착용자의 발목을 잡아주면서 자연스럽게 전후 10°의 여유를 주어 움직일 수 있도록 설계하였다.

③ 힌지 핀

2부에서 계속 됩니다.

Mechanism Using Roving Mars

팀명 | I.M.F 참가자 | 조선대학교 제어계측 로봇공학과 / 문요한, 강현창, 조성광

I.M.F팀의 수상장면

심사평

기구구성 입장에서 도전적인 아이디어로 접근한 과제로서 높게 평가한다. 특히, 설계전에 타당성을 확인하는 과정은 학부생들임을 감안하면 좋은 태도이다. 그러나 역시 경험부족과 좀 더 깊은 고민이 부족하여 애초 기획단계에서 한계점이나 보완점이 있다는 것을 간과한 것이 아쉽다. 과제 기획단계부터 심사한 입장에서는 그러한 부족한 점이 있다는 것을 알고 있었지만 그것을 극복해가는 과정을 과제 수행자들이 어떻게 보여줄 수 있을가 하는 점이 또한 관심이었다. 물론 결과적으로는 애초 계획대로 완성하지는 못했지만 과제를 수행해가는 과정은 좋았다고 평가를 하였다.

1. 개발 동기

현재에 들어 와서는 우리 주변에 다양한 로봇들이 존재 한다.
다리를 사용하는 족 로봇, 바퀴를 사용하는 모바일 로봇, 메커니즘 Wheel을 이용한 로봇 등 다양한 로봇들이 있다.
각각의 로봇들이 극복할 수 있는 지형은 한정적이며 좀 더 험한 지형을 극복하기 위해서는 많은 모션과 그에 따른 제어가 필요해지며 불안정해진다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 이동성이 좋은 모바일 로봇의 장점과 메커니즘을 이용한 기구부 설계를 통해 지형적 환경에 구애 받지 않고 효율적인 주행을 할 수 있는 로봇을 제작하고자 한다.

2. 개발 목적

화성탐사로봇 스피릿

예로 화성탐사 로봇의 발전을 보면 우리가 모르는 지형을 극복해 화성을 돌며 자료를 보내주는 로봇은 미지의 지형에서의 이동을 위해 여러 가지를 고려한 이동메커니즘을 가지고 있으며 탐사로봇이 아닌 다른 로봇들도 특정 상황에 맞는 이동메커니즘을 가지고 있다.
우리도 이러한 흐름에 맞혀 기존에 나온 이동메커니즘이 아닌 좀 더 새로운 이동메커니즘을 적용한 모바일로봇을 만들고자 하며, 우리는 새로운 이동메커니즘을 적용 탐사로봇이나 이동이 불편한사람의 이동수단이 될 수 있도록 로봇을 설계 제작한다.

3. 개발 목표

1) 3D 모델링
안정적인 프레임 설계를 하기 위하여 Inventor tool를 사용하여 기구부를 미리 설계해보며 동·정역학을 통한 계산을 통해 기구부를 검증하며 우리가 생각한 이동 메커니즘을 적용 극복할 수 있는 장애물에 대한 검증을 한다.

2) 볼 나사를 이용한 이동 축 구성
기구부를 설계과정에서의 메커니즘을 적용할 수 있는 하단부와 상단부 사이의 이동을 원활히 하기 위하여 볼 나사를 이용 마찰력을 최대한 줄이며 영구성을 높이고 정확한 제어부로 무게중심을 잘 잡을 수 있도록 설계한다.

3) 센서를 이용한 자율주행 모드
각종 센서를 이용 현 시대에서 중요도가 높아진 자율 이동을 구현한다.

4) 전류 센싱을 통한 모터제어
전류를 제어하는 방식으로 모터에 과부하가 걸렸을 때 검출되는 전류 값을 이용한다. 이 값을 이용하여 중단부의 축을 바퀴 축과 일치 시켜 원활하게 회전할 수 있도록 한다.

5) 통신을 이용한 통합 컨트롤
우리 로봇의 특성상 축의 자유로운 이동과 바퀴의 회전을 보장하기 위해 배선 문제를 고려해야 한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 각각의 컨트롤러를 따로 설치, 통신을 이용하여 통합 컨트롤 함으로써 단점을 극복한다.

6) 보조적인 기구부 제작
안정적인 주행과 무게 중심을 맞추기 위하여 필요에 따라 보조 적인 기구부를 제작한다.

7) 솔라셀을 이용한 전원 공급
로봇의 특성에 맞게 수동적인 충전보다는 솔라셀을 이용하여 자동충전을 함으로써, 반영구적인 로봇의 형태를 가질 수 있도록 한다.

8) 카메라를 이용한 영상의 처리
탐사로봇의 목적에 맞게 촬영한 영상 데이터를 다른 매체에 송신, 저장 할 수 있도록 구성한다.

4. System Architecture

5. 개발내용

1) 3D 모델링

제작한 프레임의 총 무게를 봤을 때 모터에 과부하를 준다고 판단하여 MC가공을 통한 프레임 설계를 하였습니다.

-

2) 프레임 제작

부품 1	부품2
부품3	결합1
결합2	결합3
결합4	결합5

총 10개의 부품의 모델로 제작 하였으며, 조립 형태로 제작을 하였습니다. 모터 고정 부와 중앙 볼 스크류 지지대는 두께를 기본 외형 프레임보다는 얇게 설계하여 최종적으로 제작을 하였고, 볼 스크류 구동에서 전류 센싱을 위한 칸막이를 제작하여, 볼 스크류가 자동적으로 양쪽 바퀴 축 중심에 와서 멈출 수 있도록 하였고, 볼 스크류가 회전시에 마찰을 줄이기 위하여 양쪽 끝 프레임에는 베어링을 넣을 수 있는 공간과 차후 초음파 센서를 넣을 수 있는 부분을 제작하였습니다.
먼저 프레임 제작에 있어서 2차까지의 프레임 가공을 기본으로 하였고 3차에서 찾아낸 2차 프레임의 문제점들을 보정하기 위하여 중심부에 샤프트 고정부를 추가적으로 제작하게 되었으며 장애물 감지와 회피를 위하여 초음파 센서를 연결부에 장착하게 되었습니다.

초음파 고정부

총 10개의 부품의 모델로 제작 하였으며, 조립 형태로 제작을 하였습니다. 모터 고정 부와 중앙 볼 스크류 지지대는 두께를 기본 외형 프레임보다는 얇게 설계하여 최종적으로 제작을 하였고, 볼 스크류 구동에서 전류 센싱을 위한 칸막이를 제작하여, 볼 스크류가 자동적으로 양쪽 바퀴 축 중심에 와서 멈출 수 있도록 하였고, 볼 스크류가 회전시에 마찰을 줄이기 위하여 양쪽 끝 프레임에는 베어링을 넣을 수 있는 공간과 차후 초음파 센서를 넣을 수 있는 부분을 제작하였습니다. – 먼저 프레임 제작에 있어서 2차까지의 프레임 가공을 기본으로 하였고 3차에서 찾아낸 2차 프레임의 문제점들을 보정하기 위하여 중심부에 샤프트 고정부를 추가적으로 제작하게 되었으며 장애물 감지와 회피를 위하여 초음파 센서를 연결부에 장착하게 되었습니다. -초음파 고정부 양쪽에 대칭되게 하여 초음파를 고정하였고 상단부에 추가될 초음파 부분을 통해서 장애물 감지하거나 특정 행동을 할 수 있도록 하였습니다.

■ 조립 부품 스펙(IG32RGM-05TYPE 12V)

3) 볼 스크류를 이용한 이동 축 구성

하단부의 구동부와 상단부간의 원활한 움직임을 위해 볼 스크류를 부품으로 선정하였다.
볼 스크류의 선정에서 볼 스크류의 길이에 따라 로봇의 전체적인 크기가 결정됨으로 모터의 스펙과 함께 바퀴의 크기를 같이 선정 하는 작업을 하였으며 볼 스크류가 움직일 때 나타날 수 있는 문제점을 미리 예상해 봄으로써 설계 시 볼 스크류의 끝에 회전을 원활히 할 수 있는 베어링을 추가하였다. 또한 메인 모터 축을 고정시키는 부분에서 발생할 수 있는 문제점을 보완하기 위해 추가적인 고정 작업을 할 수 있도록 하단 구동부 프레임 중간에 레일 형식의 고정 부분을 추가하였습니다.

볼 스크류 : 모델명 SFER1616A2D-B

■바퀴 선정

무게를 줄이기 위해 고무, 우레탄, 철 재질의 바퀴 중 가벼운 소재인 플라스틱 재질의 바퀴 선정

■ 하단부 구성

바퀴 구동부 축은 총 3개의 모터로 구성하였습니다. 바퀴 구동 모터는 IG-32RGM 05TYPE (12V/기어비 1/189)모터 두개(총4개)를 사용하여 구동 바퀴의 힘과 함께 저희가 원하는 스피드를 낼 수 있도록 구성하였습니다. 또한 볼 스크류 모터에는 RB-35GM 03TYPE(12V/ 1/100) 모터를 사용하여 그림과 같이, 일반 모터보다 샤프트의 위치가 한쪽으로 쏠린 특징을 살려 사용할 수 있도록 구성하여 바퀴 축 구성의 넓이가 커지는 것을 방지 하였습니다. 볼 스크류 회전을 방지 하기 위한 베어링을 양쪽에 총 4개를 사용하여 구성하고 볼 스크류는 고정할 수 있는 프레임을 제작하여 사각형의 프레임 안에 감싸는 형태로 구성 하였습니다.

로봇의 바퀴 구성은 저희가 무게를 고려하여 선정한 바퀴의 크기가 좀 더 커 바퀴 안쪽 내부를 좀 잘라내어 사용하고 고정 부분은 바퀴모터 샤프트와 바퀴와의 결합을 할 수 있는 부분은 제작하여 구성하였습니다.

2차 구동 축 구성에 있어 문제점이었던 이동 속도를 바꾸기 위하여 3차에서는 기어비를 바꾸어 속도를 확보하여 전체적인 구동부 프레임의 제작을 완료 하였습니다.

4) 로봇 메인 회전 축 구성
로봇의 메인 회전 축은 저희 팀이 가지고 있던 모터를 사용하였으며 맥슨사의 모터를 사용하였습니다.
맥슨 모터 두 개를 사용하여 프로파일을 이용 지지대를 만들고 모터의 샤프트를 좀 더 단단히 고정하는 부분을 함께 제작하고 바퀴축의 볼 스크류 부분과 결합하여 메인 축을 구성하여 모터의 회전을 통해 바퀴 축을 회전 시킬 수 있도록 하였습니다.

5) 상단부 제작
상단부를 솔라셀을 이용한 태양광 충전시스템 구성 목표로 제작을 진행하였습니다. 그리하여 현재 서보모터 3개와 Cds센서, 솔라셀 판넬을 이용하여 태양광 충전시스템을 구성하였습니다.

- 트랙커 회로구성

트랙커 구동 회로

6) 구동부 제작 및 회로 구성
■ 바퀴 축 구성

바퀴 축 구성회로

바퀴 축 회로 구성은 무선 통신을 이용한 Bluetooth와 컨트롤러, 모터드라이브, 거리를 감지할 수 있는 초음파센서나 적외선 센서, 엔코더의 값을 정확하게 가져 올 수 있는 슈미트트리거 IC칩 전류센싱을 위한 전류센서로 구성 되어져 있다. 여기서 모터 드라이브를 하나만 사용하기 위해 2채널 모터에서 같은 신호로 바퀴 모터를 작동하게 되며 나머지 하나로 볼스크류의 모터를 제어하였습니다.

다음과 같은 구성품으로 회로를 구성하였으며 현재 PCB 납땜을 완료한 상태이지만 PCB제작을 처음 해봄으로써 어느 정도 실패를 하였고 이것을 보안 하기 위해 현재 제작 되어진 PCB보다 크기를 줄여 바퀴 프레임 밖으로 나와있는 회로와 배터리를 프레임 안으로 넣어 외관상 좀 더 깔끔하게 보이도록 하려고 제작을 진행하였습니다. 그 결과 현재는 회로 자체를 로봇 바퀴 구동 프레임 안에 넣음으로써 좀 더 완벽하게 회로 구성을 완료 하였습니다. 그리고 칸막이 프레임에 맞추어 볼 스크류가 정지하게 되면 걸리는 모터의 과부하 시 측정되는 전류센서의 값을 ADC하여 볼스크류의 양쪽이 같은 속도로 움직이지 못하더라도 같은 자리에서 자동적으로 먼저 도착한 모터를 세워서 다음 모터를 끝까지 진행 시켜 멈추도록 하고 통신 딜레이와 각각의 볼 스크류 모터의 회전이 틀려지는 예외 상황을 제거 하도록 하였습니다.

■ 메인 축 구성

메인 축 구성 회로

메인 축 회로구성은 기존 동아리방에서 제작했던 맥슨 모터를 돌리기 위한 모터드라이버를 사용하며 PC와 바퀴 축간의 무선통신을 위한 블루투스 모듈과 각종 센서를 컨트롤 하는 컨넥터 부분으로 이루어져 있습니다. 현재 메인축 구성은 100% 진행 상태가 아니며 차후 솔라셀을 위한 컨트롤 부분과 추가될 사항에 따라 변동 될 것으로 보고 있습니다.

7) 카메라 모듈 선정

DRC 카메라 모듈

영상의 송신과 수신이 원활하며 동시에 로봇에게 명령을 줄 수 있는 양방향 통신이 가능한 신개념의 양방향 무선 영상 전송 DRC(Diplex Radio Camera)카메라를 사용하였다. 로봇 비전 응용을 위해 양방향 통신이 가능하도록 설계되어 컴퓨터에서 DRC로 필요한 데이터를 송신할 수 있다. 따라서 카메라는 수신 받은 데이터를 시리얼 통신으로 사용자의 제어기로 전송할 수 있다.

이러한 모듈사용을 통해서 영상은 전송하며 전송된 영상을 PC를 통해 확인 할 수 있고 또한 상황에 따라서 바로 로봇에게 명령을 내릴 수 있도록 구성하려 한다. 또한 PC로 받은 영상은 다른 영상처리 과정을 통해서 다른 방향으로도 활용이 가능한 카메라를 선정 하였다.

8) PC컨트롤 및 카메라 부분 제작
■ 기존 계획된 카메라 컨트롤 UI 설계

■ 변경된 UI제작 결과

기존에 구상된 UI버리고 좀더 깔끔한 UI를 구성하도록 노력하였으며, Control 모드를 통해서 로봇의 움직임을 제어 하고 로봇의 상태를 Receive 받을 수 있도록 구성을 하였습니다.

9) 충전회로 구성

■ 충천회로 구성

충전회로 제작

10) 전체완성도
현재까지 진행된 결과로는 상단부에 대한 트랙커 제작을 통해 상단부를 구성하였고 차후 나머지 시간에 바퀴 축 구동부의 회로를 바퀴 축 프레임 안으로 넣어서 로봇을 구성하여 완성도를 높이고 로봇 컨트롤 부분에 좀 더 신경을 쓰려고 구상 중에 있습니다.

11) 후기
처음 구상하였던 작품에 여러가지 문제점이 있어 외형이나 몇가지 부분을 변경하여, 목표와 동일한 작동이 불안정한 점. 100% 만족스러운 완성을 하지 못한 점에 대하여 매우 아쉽게 생각하며 본 작품 설명을 마치겠습니다.

6. 부품선정

캡스톤 디자인 공모전 입선작

MP SET(MP3 + HEADSET)

팀명 | 三人三色

참가자 | 인천대학교 전자공학과 김민지, 김소정, 최수지

심사평

본 작품은 주변 소음 중에서 안전과 관련된 자동차 경적과 같은 소리를 감지하여 헤드셋의 볼륨을 조절하여 사용자의 안전을 확보한다는 개념을 가지고 있다. 결론적으로 본 작품은 성공하지 못했다. 그러나 심사위원의 입장에서 성공하지 못한 작품이라고 가치가 없다고 볼 수는 없다. 실제 본 작품이 가지는 메인 컨셉이 쉽게 성공하지 못할 수도 있다는 것을 알고 있었지만, 지원자들이 당시 학부 2학년임을 감안해서 선정된 작품이었다. 실제 본 리포트를 읽어보는 독자들이 어느 정도 실력이 있는 독자들이라면, 이들이 시도하고, 또 실패하고, 다시 시도하는 과정에서 살짝 미소를 지을 수도 혹은 안타까울 수도 있다. 그러나 작품을 만들기 위해 시도하고 분석하는 과정이 학부 2학년(그것도 당시엔 2학년 1학기) 학생들의 수준에서는 상당히 우수하고 참신하다고 심사위원들은 판단했다.

1. 三人三色

三人三色조는 팀명에서 알 수 있듯이 세 명의 팀원으로 구성되어있습니다. 세 명 모두 인천대학교 전자공학과의 ‘MAMA’라는 소모임에 소속된 2학년 여학우들입니다. 디바이스마트의 공모전을 통해 처음으로 캡스톤 디자인을 도전하고 공부중입니다.
三人三色조의 구성원 및 담당분야입니다.
·김민지 – Hardware & Board 개발환경 구성
·김소정 – 음성처리 알고리즘제작 및 수정
·최수지 – 볼륨조절기능Programming

2. MP SET (MP3+HEADSET)

■ MP SET의 개발동기

MP3를 사용하다보면 볼륨조절을 하지 못해 위급상황시 위험을 감지하지 못하는 상황들이 있습니다. 또 headset과 MP3를 동시에 휴대하기 불편한 점이 있기 때문에 이를 개선하기 위해 MP SET을 생각하게 되었습니다.

■ MP SET이란?

MP3와 Headset의 줄임말로, Headset에 MP3 기능을 추가한 것입니다. MP SET의 장점 및 주기능은 Headset 자체에 MP3 기능을 추가하여 이용에 더욱 편리함을 주는 것입니다. 또 음량을 자동으로 줄임으로써 자동차 경적, 경고음 등 갑작스런 위급상황을 알리는 소리를 들을 수 있게 되어 위험을 피할 수 있다는 점이 주된 기능이고 프로젝트 목표입니다.

■ MP SET 프로젝트 과정

위 그림은 ‘MP SET’의 프로그램 동작 과정을 한눈에 알아 볼 수 있도록 그림으로 표현한 것입니다. 이 동작 과정을 순서로 이번 프로젝트를 진행하였습니다.

먼저 간단하게 ‘MP SET’의 동작과정을 설명하면, 마이크를 통해 소리를 받아들이게 됩니다. 계속해서 외부소리가 마이크로 들어오는데 어느 순간 큰 소리가 발생하게 되면 이를 ‘MP SET’이 감지하여 MP3의 볼륨을 낮추게 됩니다.

■ 프로젝트 핵심 문제 & 해결방안

	·MP3에서 어떻게 소리를 받아들일 것인가? ▶ MP3에 마이크를 연결하여 마이크를 통해 소리를 받아들일 것이다.
	·큰 소리를 어떻게 구분할 것인가? ▶ 연속적으로 들어오는 소리를 Digital 값으로 변환하여 수치적인 값으로 비교하여 구분할 것이다.
	·볼륨을 어떻게 조절할 것인가? ▶ C언어의 if문, for문 등 컴퓨터 언어를 통해 프로그램을 작성할 것이다.

3. MP SET 속으로

■ 마이크

프리엠프 내장 콘덴서 마이크(FK648)와 다이나믹 마이크 프리엠프(FK647)

마이크의 종류가 매우 적었습니다. FK648, FK647의 각각 제품 설명만을 보고 차이점을 정확히 알 수 없었습니다. 하지만 두 종류 모두 저렴해서 둘 다 사용해보고 더 알맞은 마이크를 결정하기로 하였습니다.

마이크 두 종류를 납땜하고 오실로스코프로 각각 동작을 확인해 보았습니다. 둘 다 마이크에 소리를 입력하기 전과 입력 후의 파형은 차이가 있었으나 소리 폭의 변화가 작았습니다. 데이터 시트와 오실로스코프의 실험결과로 FK648보다 FK647의 증폭정도가 높다는 것을 알았습니다. 들어오는 소리의 증폭을 확실히 하기위해 FK647를 증폭기로 사용하기로 했습니다.

■Band Pass Filter

MP SET의 기능에서 특정주파수의 소리를 걸러내는 작업이 필요합니다. 여기서 Band Pass Filter가 필요하여 MAX268BENG+을 선택하였습니다.
마이크로 들어오는 다양한 소리 중 MP SET이 반응해야하는  소리를 구분하기 위해 Band Pass Filter를 사용하기로 했습니다. 특정주파수를 걸러내는 작업을 하기 전 소리를 잘라내는 Band Pass Filter의 동작을 확인하기 위해 데이터시트에서 주어진 두 가지 회로를 실험해보았습니다.
Breadboard에 소자들을 꽂아 오실로스코프의 파형을 살펴보았으나 주파수를 잘라내는 것을 실패하였습니다.
Band Pass Filter의 동작을 실험 하던 중 자동차 경적과 비슷한 주파수 대역을 갖는 소리들이 매우 많음을 알았고 MP3로 소리들을 구분해내기 어려울 것이라 판단하였습니다. 따라서 음량을 자동으로 줄이는 기능이 필요 없는 소리에 반응하지 않게 하기 위해서 주파수가 아닌 큰소리에 반응하는 것으로 기술적인 면을 바꾸었고 때문에 Band Pass Filter가 필요하지 않아졌습니다.

■ OP AMP

LM386N-1의 증폭회로를 Bread Board에 배치한 상태

특정주파수를 구분하기전 먼저 들어온 소리들을 증폭하는 작업이 필요합니다. 또 Band Pass Filter에서 특정소리를 필터링하면 그 소리를 증폭시키는 일을 하는 OP AMP가 필요하여 LM386N-1을 선택하게 되었습니다.

OP AMP로 신호를 증폭시키는 실험을 직접 하기 전에 OrCAD로 회로를 구성하였습니다. 그 후 Breadboard에 실험하려 했으나 MP3 음량을 자동으로 줄이는 기능이 주파수가 아닌 큰소리에 반응하는 것으로 기술적인 면을 바꾸게 되었습니다. 또한 마이크에서 FK637을 증폭기로 사용하기 때문에 OP AMP를 통한 증폭회로는 필요하지 않아졌습니다.

■ MP3 Board

MY MP3P – AVR MP3 Player

교육용 MP3보드의 종류가 많지 않았지만 이번 프로젝트에서 연습용으로 사용하기에 부담이 적고, 가격도 저렴한 편이어서 이레소프트사의 MY MP3P를 선택하게 되었습니다.

① MP3의 기본소스에서 필요 부분 파악 및 컴파일 방법

주어진 소스를 AVR Studio4로 열게 되면 MP3를 구동하기 위한 여러 가지 Header file과 Source file이 들어있음을 알 수 있습니다. 많은 파일들 중 음량을 줄이는 기능은 주로 Source file의 main.c에서 다루게 됩니다.이번 프로젝트의 목표는 MP3를 만들어 내는 것이 아니라 MP3의 ‘볼륨 자동 조절’기능을 만드는 것입니다. 그렇기 때문에 기본적인 MP3의 동작소스는 이레소프트사에서 주어지는 것을 사용하였고, 여기에’자동 볼륨 조절’기능의 소스를 첨가하였습니다.

main.c에서 void Play_MP3File() 함수를 집중적으로 다루어야 할 것이며, 함수 내부에 있는 KEY_VOL_UP & KEY_VOL_DOWN 또한 살펴보아야 할 부분이 될 것입니다.

< 컴파일 방법 >

MP3 보드에 소스를 넣기 위해서는 먼저 컴퓨터와 보드가 서로 연결 되어야 합니다.
ISP와 MP3보드의 결선 및 커넥터를 연결하여 사용하게 됩니다.
위의 사진은 컴퓨터와 MP3의 연결모습입니다.

② MP3 Board에 마이크를 연결하고 ADC후 LCD에 그 값을 나타냄

‘자동 볼륨 조절’을 실행시키기 위해서는 먼저 마이크를 통해 외부의 소리를 받아 MP3로 보내는 작업이 필요합니다. 마이크로 들어온 값(Analogue)을 MP3가 받은 후 Digital값으로 바꾸어야 하는데 여기서 ADC가 필요합니다.
ADC를 사용하기 위해 MP3 AVR128칩의 ADC 0인 61번 핀(F포트)과 제작한 마이크의 Output을 연결하고 보드의 GND와 마이크의 GND를 연결 합니다.
마이크와 보드를 연결한 후 LCD창으로 ADC가 되고 있는지 확인해야합니다. 이때 MP3가 실행되면 LCD창에서 ADC를 확인할 수 없게 됩니다. 그렇기 때문에 MP3기능이 실행되지 않도록 int main()함수 안에서 printFirstScr(), loadSetup(), Dispfiles()를 주석으로 처리합니다.
printFirstScr()은 LCD창에 MP3구동 첫 화면을 띄우게 하고, loadSetup()은 MP3 Play 환경초기화, Dispfiles()는 SD카드안의 메모리를 읽어오는 일을 합니다. 이 세가지 모두 주석 처리후 LCD창에 아무것도 뜨지 않을 때 ADC소스를 첨가하게 되면 ADC 결과를 볼 수 있게 됩니다.
int main() 함수 마지막부분에 ADC를 실행시키는 소스를 추가합니다. 추가한 소스는 앞서 Tester Board로 ADC를 공부했을 때 만들었던 소스에서 PORT만 수정한 것입니다.
소스를 컴파일 한 결과 LCD창에 알 수 없는 문자가 뜨고 ADC 변환 값은 연속적으로 뜨지 않았습니다. ADC의 다음 변환 값을 보려면 Reset버튼을 눌러야만 하는 문제점도 있었습니다.

DDRF와 PORTF의 설정

ADC 변환 값으로 이상한 문자가 뜨는 모습

ADC소스 실험 과정

□ 실험 1 □

이 소스는 위에서 말한 ‘Tester Board로 ADC를 공부했을 때 만들었던 소스에서 PORT만 수정한 것’입니다. 여기서 LCD에 출력할 ADC변환 값은 빨간 동그라미로 표시한 변수 a입니다.
위 소스를 MP3에 넣어 실험해본 결과 알 수 없는 문자가 뜨고, 연속적인 값의 변화를 볼 수 없는 등 문제점이 있었습니다. 그 원인이 잘못된 레지스터 설정에 있을 것 같아 빨간 네모박스로 표시한 부분들의 숫자를 바꾸어가며 많은 경우의 수를 실험했습니다. 많은 경우의 수를 바꾸어가며 넣었지만 그 결과는 알 수 없는 문자, 아예 실행이 안되는 것 이 둘 중의 하나였습니다.

□ 실험 2 □

AVR128의 ADC를 통해 나온 10비트 값을 8비트로 Shift시켜준 뒤, 이 값(a)을 그대로 LCD창에 띄우게 되면 우리가 원하는 16진수로 표현되지 않게 됩니다. 16진수로 값을 보기위해 8비트의 앞자리와 뒷자리를 따로 변수로 받은 뒤 각각 아스키코드화 시킨 후 두변수를 배열로 하나의 16진수 값처럼 보이도록 묶어 표시하기로 하였습니다.

8비트(a)를 각각 AND와 Shift를 통해 i와 j라 지정하고 값을 따로 받게 합니다. i 와 j는 각각 0×0으로 값을 받게 되기 때문에 0~15까지의 값을 갖게 됩니다. 여기서 아스키코드 값을 찾아보게 되면, 16진수의 0 ~ 9, a ~ f로 표현하기 위해서 i와 j의 값은 각각 0×30 ~ 0×39 혹은 0×61 ~ 0×66값을 갖아야 합니다. i와 j가 지금 받고 있는 값은 0×0이기 때문에 범위를 나누어 0~9까지는 0×30을 OR 해주고, 10~15까지는 0×60을 OR 해줍니다. 그리고 배열로 묶어 변수 st라 지정합니다. st값을 LCD로 보내면 LCD창에 Analogue 값의 소리 값이 16진수로 Digital화 되어 표현된 것을 확인할 수 있을 것입니다.

연산적인 곳에는 큰 문제가 없었고, LCD에 원하는 16진수로 표현됨을 눈으로 확인할 수 있었습니다. 하지만 소리가 Analogue인 만큼 연속적으로 값이 계속 마이크로 들어오게 되는데 LCD창은 처음 보드가 실행되었을 때 받은 값만이 표시될 뿐 연속적인 표현이 되지 않았습니다.

□ 실험 3 □

LCD에 연속적으로 표현하기 위해 레지스터들의 설정 값을 또 가능한 많은 경우의 수로 고쳐가며 실험해보았습니다. 또한 연산과정 중 고쳐야 할 부분이 있어 수정하고, 연산표현을 간략화 하였습니다. 수많은 수정 끝에 LCD에 연속적인으로 값을 띄우는데 성공하였고 위 소스처럼 최종 ADC 성공 소스를 얻어 낼 수 있었습니다.

③ ‘자동 볼륨 조절’기능

‘자동 볼륨 조절’기능을 만들기 앞서 보드 회로 중 불편한 점을 하나 개선시켰습니다. 마이크와 MP3보드는 필요한 전원 값이 달라 각각 전원을 주어야 했습니다. 따라서 두 개의 전원공급기가 필요했고, 보드에 연결되는 선도 많아져 불편한 점도 많았습니다. 이런 점은 개선하여 하나의 전원으로 전선 수도 줄이면서 불편함을 개선하기 위해 전원부를 새로 만들게 되었습니다.

새로운 전원부의 오실레이터와 커패시터를 통하여 한쪽은 MP3보드의 전원공급(5V)을 하고 다른 한쪽은 마이크의 전원공급(9V)을 하게됩니다. 이 새로운 전원부에 하나의 전원 (9V)를 공급하게 되면 오실레이터를 통하여 MP3보드로 가는 전원은 5V로 잘려지게 됩니다.
‘자동 볼륨 조절’기능을 실행하기 위해서는 표준 값인 평상시 주변소리의 크기를 알아야 합니다. 앞의 과정에서 마이크로 들어오는 값을 ADC하는 소스를 만들어 놓았기 때문에 이를 이용하여 평상시 주변소리를 측정했습니다. 그 결과 소리는 파동이기 때문에 0a~ff까지 다양한 값이 파동적으로 측정되었습니다.
표준 값을 정할 수 없어 먼저 소리의 크기에 따른 값을 비교하기 위해 마이크에 큰소리를 낸 뒤 그 값이 어떻게 나오는 지를 확인하였습니다. 확인 결과 큰소리가 나면 00 값이 연속적으로 나옴을 확인하였습니다. 이 특징으로 평상시 값과 구분을 할 수 있게 되었습니다. 하지만 조용한 상태에서도 측정해본 결과 평상시 값과 다르지 않아 두 상태에 대해 구분하기에 어려움이 있음을 알게 되었습니다.
처음 이 프로젝트를 계획할 때 ‘자동 볼륨 조절’은 위험한 상황과 공공장소 같은 조용한 상황, 이 두 가지 상황에서 동작하게 구상하였습니다. 하지만 마이크로 직접 소리 값을 측정해본 결과 조용한 상태를 인식할 수 없어 이 기능을 동작시키기 어려울 것 같다는 결론을 얻게 되었습니다.
위험한 상황을 알리는 소리(큰소리)를 듣게 하기위해 큰 소리가 나면 00이 많이 나오는 특징을 이용하여’자동 볼륨 조절’을 실행시키도록 구상하였습니다. 또 MP3보드가 큰소리를 인식했다는 것을 확인하기 위해 LCD 화면에 on이라는 글자가 뜨도록 프로그램을 만들도록 했습니다.

앞에서 먼저 완성한 ADC 소스를 기본으로 큰소리가 났을 때 00이 연속적으로 나오는 특징을 이용하여 ADC값을 10번 받아들일때 7번이상 00이 나오면 그것이 큰소리임을 인식하도록 소스를 작성였습니다. 그리고 그때 LCD에 ‘ON’이라는 글자를 띄워 인식함을 확인하였습니다.

MP3보드가 큰소리를 인식하여 ‘ON’을 표시한 모습

큰소리를 인식하는 소스를 이용하여 “ON”을 띄우는 부분만 소리를 줄이는 소스로 수정하면’자동 볼륨 조절’기능이 완성됩니다.
소스를 수정하기 위해 MP3 기본 작동소스 중 소리설정과 관련한 소스를 찾아본 결과 위 쪽 빨간 박스를 참고하기로 했습니다.

최종적으로 수정한 ‘자동 볼륨 조절’ 기능 소스는 위와 같습니다.
마지막으로 void Play_MP3File() 함수 내부 들어가야 하는 곳을 찾아 소스를 추가 하였습니다. 그리고 처음에 주석 처리한 MP3기능을 실행시키는 부분들의 주석을 풀어 실제로 MP3의 기능을 작동시키고 ‘자동 볼륨 조절’기능이 실행되는지를 확인하였습니다.

‘자동 볼륨 조절’소스가 들어가야 되는 위치

‘자동 볼륨 조절’ 소스 ⓐ

‘자동 볼륨 조절’ 소스 ⓑ

④ ‘자동 볼륨 조절’ON/OFF 메뉴

사용자가 이 기능의 사용 여부를 결정할 수 있도록 ON/OFF 메뉴를 만들기로 하였습니다. ON/OFF 메뉴를 설정하기 위해 새로운 ‘mode’라는 변수를 만들고 ‘자동 볼륨 조절’ 기능을 if문으로 묶은 뒤 ‘mode = 1′일 때 기능을 사용하고, ‘mode=0′일 때 기능을 사용하지 않도록 소스를 작성하였습니다. 이 ON/OFF 메뉴를 MP3 작동 맨 처음 결정하도록 소스의 위치를 정하였습니다.

int main() 마지막 부분에 다음과 같은 메뉴설정 소스를 추가합니다. 그리고 아래 그림과 같이 ‘자동 볼륨 조절’소스도 수정합니다.

⑤ MP SET 동작 모습

MP SET 부팅 화면

부팅 후 첫 화면으로 MUSIC을 선택하면’자동 볼륨 조절’기능이 실행되지 않은 채 MP3 기능이 작동됩니다.선택하는 스위치는 ①번입니다.

스위치를 누르면 MP3 폴더목록이 나옵니다.

부팅 후 첫 화면에서 스위치 ②을 눌러 OPTION을 선택하면 다음과 같은 화면이 나오게 됩니다. 여기서 스위치 ③을 누르게 되면 ON이 선택되어 ‘자동 볼륨 조절’기능이 작동하게 되고 스위치 ④을 누르게 되면 OFF가 선택되어 ‘자동 볼륨 조절’기능이 작동되지 않게 됩니다.

MP3의 노래 재생 동작 모습입니다.

■PCB제작
MP3 보드의 크기를 줄이기 위해 PCB를 제작하기로 결정하였습니다. 그러기 위해서 먼저 OrCAD로 전체회로를 그리고 PADS에서 부품재배치를 하였습니다.

① OrCAD 파일 전체 모습과 부품별 모습

② PADS 모습

③ PCB 납땜과정
제작된 PCB에 납을 묻혀줍니다. PADS와 CAD파일을 비교해보고 위치를 찾아 부품을 올립니다. 가열기에 올려 PCB 판의 납을 녹인 후 핀셋을 이용해 부품을 눌러 고정시켜줍니다. 부품이 손으로 납땜할 수 있는 경우 인두기를 이용하여 납땜해줍니다. 뜨거운 판을 식혀 멀티미터를 이용해 접촉상태를 확인 해 줍니다. 가열을 실패하면 PCB판이 탈 수도 있습니다.

4. 완성모습
PCB 제작 중 필요한 부품이 한 종류 누락되어 왔었습니다. 재 주문한 결과 조금 늦게 받게 되었습니다. 늦게 도착한 부품을 납땜하고 테스트를 하기에 시간이 많이 모자랐습니다.
PCB 특성상 잦은 실패와 실패한 경우 원인을 찾기도 매우 힘이 듭니다. 완성되지 않았지만 지금까지의 모습을 보여드리겠습니다.

PCB 성공 시 작품 완성모습입니다. PCB 제작 시 기본적인 부품크기와 기타 선이 지나가는 자리를 고려하다보니더 이상 작게 축소 할 수 없었습니다.		PCB 실패 시 연습으로 사용했던 MP3보드 그대로 붙인 상태입니다.

5. 제작 그 후

■ 김민지

공부삼아 도전삼아 떨어져도 좋은 공부가 된다 생각해 사실 붙을꺼라 생각도 안한 채 피피티를 보냈다. 쟁쟁하신 분들 사이에서 우리팀이 3팀안에 들었다는 사실에 놀랍고 기쁘기도 했지만 걱정이 되기도 했다. 초반에는 아무것도 모르는 상태라  공부와 함께 프로젝트를 진행하니 진전이 느릴수 밖에 없었다. 방학동안에도 학교에 나오며  많은 선배분들께 조언과 도움을 구하며 민폐덩어리가 되기도 했다. 그러면서 느리게나마 프로젝트는 진행되었고 여기까지 왔다. 비록…우리의 미천한 실력과 능력으로 인해 진행속도도 느리고 부족한 점도 많지만  여기까지 온 것만으로도 참으로 모두에게 감사드리고 고맙다. 이번 프로젝트로 진로에 대해서도 많은 생각을 하게 되었고 학습적인 부분과 그 외 부분들에서도 많은 것을 느끼게 되었다.

■ 김소정

처음 해보는 프로젝트여서 기대 반 걱정 반으로 시작하였습니다. 아이들과 모여 아이디어 회의도 해보고 나온 것이 이 mp set이였습니다. 막상 프로젝트를 시작해보니 처음부터 막혀 막막하기도 하고 모르는 부분은 도움을 받아가며 해결해나갔습니다. 한걸음 한걸음씩 나아가다보니 이렇게 끝이 왔네요. 특히 소스 짤 때는 어디부분이 잘못됐는지 또는 어느 부분에 추가해야하는지를 모르기 때문에 이것저것 시도도 많이 해보고 이곳저곳에도 많이 추가해보고.. 보고서엔 그런 과정들까진 나오진 않았지만 정말 맘고생이 많았던 부분이었습니다. 그리고 처음 낸 아이디어처럼 완벽하게 되지 않아 많이 아쉽습니다. 노력 한다고 했는데 결과를 보니 아무것도 없어보여서 아쉽네요. 이번 프로젝트가 이제 막 시작하는 저에게 큰 도움이 된 것 같습니다.

■ 최수지

학과 관련한 프로젝트에 참여해보는 것도 좋을 것 같다는 생각을 할 때쯤 디바이스마트 공모전을 알게 되었습니다. 처음이지만 이번 공모전이 기회라 생각되어 도전정신으로 프로젝트를 시작하게 되었습니다. 이제 막 전공과목도 접하게 되었고, 아는 것이 하나도 없는 무지한 상태여서 인지 프로젝트의 과정 하나 하나가 어려움의 연속이었습니다. 좌절도 많이 했고 답답함에 속앓이도 많이 했습니다. 또 팀장이라는 이름을 달고 있지만 팀장으로서 더 잘하는 것도, 팀원을 이끌어 나가는 것도 제대로 해낸 것 하나 없었습니다. 하지만 작은 것 하나를 이루었을 때의 성취감은 말로 할 수 없을 만큼 큰 기쁨이었습니다. 서툴고 모자란, 또 완벽하게 이루진 못했지만 이번 프로젝트는 많은 것을 느끼게 해줬고 경험하게 했습니다.

 대한민국 이공계 기(氣)살리기 프로젝트

제2회 디바이스마트

캡스톤 디자인 공모전

수상작 발표회

정현진 기자_ blue7563@ntrex.co.kr

올해로 2회째를 맞는 디바이스마트 캡스톤 디자인 공모전이 약 5개월간의 제작기간 끝에 지난 11월 11일 막을 내렸다. 1회 대회의 성공적인 개최에 힘입어 2회에는 더 많은 팀들이 참가신청을 하였으며, 그 중 우수한 3팀을 선정, 5개월동안 프로젝트를 수행하였다. 11월 11일 선정된 3팀의 최종 발표회가 있었는데, 이번 대회에는 심사결과 아쉽게도 최우수상팀은 없었으며, 우수상 1팀과 입선 2팀이 선정되었다.

우수상에 선정된 서울과학기술대학교 Finale 팀의 발표모습,보행보조기구 작품의 시연장면, 그리고 수상 모습.

입선팀인 조선대학교 I.M.F 팀의 탐사주행로봇. 새로운 이동 메커니즘을 적용하여 장애물에 구애받지 않고 주행할 수 있도록 설계하였다고 한다.

인천대학교 여학우 3명으로 구성된 삼인삼색팀. 자동 볼륨 조절이되는 MP3와 헤드셋을 합쳐 여러 가지 편의성을 부여한 작품. 수상 모습.

각 프로젝트에 대한 자세한 내용은 디바이스마트 매거진에서 천천히 만나보기로하고, 더욱더 발전된 모습의 3회 대회를 기약해본다.

2010 디바이스마트
캡스톤 디자인 공모전 최우수상

드럼 음원 분리와 

Zigbee 통신을

이용한 전자드럼

글 | Magic Drum 팀[박병조, 이호섭, 이종혁, 박지훈]

1. 작품개요

1_1 선정 배경

드럼은 타악기로써, 여러 가지 장점을 가진 악기이다. 첫째, 두뇌를 자극하는 효과가 있다. 드럼의 연주 시 양손과 발을 따로 움직여야 하기 때문에 평소에 잘하지 않던 행동을 함으로써 뇌의 자극을 더 주게 된다. 두 번째, 타악기의 특성상 오장육부와 사지를 사용해 연주하는 종합적인 운동기구이다. 악기 중에서도 최고라 불릴 만큼 신체 에너지를 많이 사용한다고 알려져 있고, 운동의 기능도 겸비한다고 할 수 있다. 세 번째, 심리적 효과이다. 그 예로 음악 치료센터라든가 음악 치료사들이 가장 많이 활용하고 있다. 또한 일상생활에 지친 사람들에게 스트레스의 탈출구로도 각광받고 있다. 이 같이 드럼은 많은 장점을 가지고 있는 악기이다. 하지만 몇 가지 제약들로 인해 드럼은 대중화 되지 못하고 있다.
드럼은 필요한 구성품이 많은 악기이다. 따라서 다른 악기에 비해 연주할 공간이 많이 필요하다. 그리고 타악기의 특성상 소음도 많이 발생하기 때문에 가정집에서 연습하기에 적당하지 않다. 비싼 가격 또한 개인에게는 부담이 된다.
Magic Drum은 이 같이 드럼의 장점을 고스란히 담고 단점을 보완하여 일반대중들에게 좀 더 친근하게 다가가고자 개발되었다. 그리고 Magic Drum의 핵심 아이디어는 주위의 사물을 드럼으로 쓰면 어떨까 하는 발상의 전환으로부터 시작되었다.

1_2 작품 개요

Magic Drum 개요

타악기란 물체를 (도구로) 때리거나, 흔들거나, 문지르거나, 긁거나 하여 물체가 진동(혹은 공명)할 때 소리를 내는 악기를 의미한다. 따라서 주의의 사물에 충격을 가했을 때, 그 진동을 감지할 수 있다면 사물을 드럼으로 쓸 수 있다는 결론이 나온다.
Magic Drum은 사물에 가해진 충격으로 인한 진동을 감지하고, PC에서 감지된 데이터를 입력신호로 해서 알맞은 드럼의 소리를 재생시켜 준다. Magic Drum은 주위의 사물을 드럼의 구성품으로 사용하고, PC를 이용하므로 드럼의 공간의 제약으로부터 자유롭다. 그리고 사운드를 조절하거나, 스피커에 이어폰을 장착해 소리크기를 조절할 수 있으므로 가정에서도 드럼을 즐길 수 있다. 또한 사물의 진동을 감지하는 장치는 드럼의 가격에 비해 훨씬 저렴하며, 가정에 있는 PC에 프로그램을 설치하기만 하면 되므로 드럼의 금전적인 부담을 덜었다.
Magic Drum은 크게 사물의 진동을 감지하는 하드웨어 장치와 PC에 설치되는 소프트웨어 프로그램으로 구성되어 있다. Magic Drum의 사물의 진동을 감지하는 하드웨어 장치는 Drum Manager라고 부르며, 핸드폰 보다 조금 큰 크기이고 바닥 쪽에는 집게가 부착되어 사물에 쉽게 설치될 수 있다. 그리고 사물과 밀착되는 부분에 얇은 플라스틱 판이 있어 사물의 진동을 감지한다. 감지된 신호는 Magic Drum 소프트웨어 프로그램이 설치된 PC로 무선으로 전송이 된다. Drum Manager는 최대 7개까지 복수로 설치가 가능하여, 사용자의 입맛에 맞는 드럼을 구성 할 수 있다.

Drum Manager	Magic Drum PC Application

Drum Manager로부터 전송된 신호는 PC에 설치된 프로그램에서 처리되어 사용자에게 드럼의 소리와 시각적 효과를 주게 된다. Magic Drum은 사용자가 지루하지 않고 드럼을 즐길 수 있도록 게임의 요소를 도입하였다. 그리고 디지털적인 장점을 살려 일반 MP3파일을 배경음악으로 등록해서 연주를 할 수도 있다.

2. 시스템 아키텍처

2_1 시스템 아키텍처

시스템 아키텍처

Magic Drum 시스템은 크게 입·출력 두 부분으로 나눌 수 있다. 입력 부분은 Drum Manager라 불리는 하드웨어 모듈이고 출력 부분은 WPF(Windows Presentation Foundation)으로 제작된 Windows용 응용 프로그램이다.

Drum Manager 설치 예

전체 흐름을 보았을 때 사용자는 Drum Manager를 책, 책상, 의자 등의 임의의 사물에 부착을 하고 이 사물을 ‘드럼스틱’으로 가격하는 것으로 드럼을 연주하는 것을 대신하게 된다. Drum Manager는 자신이 부착된 물품에 충격이 가해졌을 때 그 진동의 정도를 감지하여 컴퓨터로 전송하게 되고 컴퓨터는 전송 받은 데이터를 분석하여 드럼 소리를 내고 응용 프로그램 내에서 표시된 드럼 이미지가 가격된 것처럼 흔들리게 되는 등의 일을 수행하게 된다. 이러한 일련의 과정을 통해서 사용자는 Drum Manager가 부착된 임의의 사물을 하나의 드럼처럼 느낄 수 있게 된다.

2_2 하드웨어 아키텍처
Drum Manager는 일반의 사물을 드럼으로 바꿔 주는 기능을 하는 장치이다. Drum Manager의 전체적인 형태는 집게 위에 임베디드 모듈이 부착되고 집게가 물체를 집는 형태로 구성하였다.게임 진행 시에는 진동 필름 센서로 사물의 진동을 감지할 수 있게 된다. Drum Manager는 드럼 채로 가격한 사물의 진동을 감지하고, 데이터들을 컴퓨터로 전송한다.
Drum Manager는 크게 MCU, 진동 감지 센서, 배터리 및 충전회로, Zigbee 등으로 구성되어 있다.Drum Manager의 작동 원리는 다음과 같다.

1. (드럼 매니저가 부착된 물체에) 진동 발생
2. (진동 감지 센서인 Piezo film sensor에서) 진동 신호 감지
3. 신호 증폭
4. 아날로그 -> 디지털 데이터로 변환
5. 변환 된 데이터를 Zigbee를 통하여 PC로 송신

요약하자면, Drum Manager는 진동을 감지하고 감지한 진동을 디지털 데이터로 변환 후 자신의 Zigbee 모듈에서 PC에 연결된 Zigbee 모듈로 데이터를 송신하는 역할을 수행한다. 여기서 전송되는 데이터의 양식은 콤마 두 개로 구별되는 세 개의 숫자를 기본으로 하며 줄 바꾸기로 각각의 신호의 경계를 구분 한다. 예를 들자면, 우측 괄호 안의 내용처럼 신호가 전송될 수 있다. [ 3, 14, 55 ] 괄호 안의 내용은 3번 Zigbee 모듈에서 중간 세기의 진동이 14회, 강한 세기의 진동이 55회 발생했다는 뜻이다.

소프트웨어 아키텍쳐

이러한 식으로 강한 진동과 약한 진동을 구별하여 전송함으로써 얻을 수 있는 효과로는 PC에서 구동되는 소프트웨어 입장에서는 현재 발생한 진동이 어느 사물에 부착 된 Drum Manager에게 발생했는지, 어느 정도의 세기로 발생한 것인지라는 두 가지의 내용을 포함하여 받게 될 수 있기 때문에 이를 응용하여 조금 더 풍부한 컨텐츠를 유도할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

2_3 소프트웨어 아키텍처

컴퓨터에는 Magic Drum의 소프트웨어가 설치되게 된다. Magic Drum의 소프트웨어는 WPF로 제작되었으며 Windows의 .NET Framework가 설치된 환경에서 작동하게 된다. 컴퓨터에는 Drum Manager들로부터 데이터를 수신하기 위한 Zigbee모듈이 하나 부착되게 되고, 이 Zigbee 모듈을 Serial COM Port를 통해서 접근하게 된다. Magic Drum의 SW에서는 Zigbee가 연결된 Serial COM Port를 계속적으로 관찰하면서 COM Port에 수신된 데이터가 존재한다면 그 데이터를 분석하여 1번 드럼을 강하게 치는 사운드와 이미지 효과를 낸다는 등의 그 데이터가 표시하는 것에 알맞는 일을 수행하게 된다.

3. 결과물

3_1 Drum Manager

Drum Manager는 주위의 사물을 드럼으로 바꿔 주는 장치이다. 즉, Drum Manager는 사물에 설치되어 사물에 가해진 충격의 진동을 감지하여 PC로 신호를 전송하는 역할을 한다. Drum Manager는 중심에 하드웨어 장치들이 있고, 그 주위를 상자와 같은 외곽형틀이 감싸서 보호하고 있다. Drum Manager의 크기는 일반적인 핸드폰보다 조금 크고 바닥부분에는 집게가 부착되어 있다. 그리고 집게의 집는 부분의 끝에는 얇은 플라스틱 판이 있다. 이는 사물에 밀착되어 진동을 감지하는 성능을 향상 시켜주는 기능을 한다.

Drum Manager 외형

Drum Manager는 고정된 사물이거나 수평의 사물 위에서는 그냥 올려 놓는 것으로 설치가 끝나며, 경사가 있는 사물이거나 움직이는 있는 가벼운 사물일 경우는 바닥의 집게를 사용하여 설치를 한다.Drum Manager의 사물의 진동감지성능은 설치된 사물에 영향을 받는다. Drum Manger의 사물의 진동감지성능을 제대로 발휘하기 위해선 딱딱한 사물을 사용하는 것이 좋으며, 충격을 흡수하는 사물은 사용하지 않는 게 좋다. 그리고 Drum Manager가 설치된 사물에 충격을 줄 때 충격지점과 Drum Manager의 간격이 일정범위 이상을 넘어가면 진동감지성능이 저하되므로 주의해야 한다.

3_2 Magic Drum 소프트웨어

3.2.1 메인 화면

Magic Drum 메인 화면

Magic Drum 소프트웨어 프로그램은 PLAY, MUSIC REGISTRATION, PRACTICE, OPTION 모드로 구성되어 있다. 그리고 조작은 키보드, Drum Manager 두 가지 방식으로 조작이 가능하다.

3.2.2 연주 모드

Magic Drum 연주(게임)

PLAY모드는 사용자가 원하는 음악을 선택해서 드럼을 연주할 수 있다. PLAY모드의 기본 인터페이스는 ‘비트매니아’와 유사하다. 7개의 수직의 통로에서 원모양의 물체가 내려오는데, 통로의 아래쪽에 위치한 수평선의 중앙에 오는 시점에 맞게 해당 드럼을 치면 점수로 환산된다.
점수는 원모양이 내려왔을 때 얼마나 정확한 타이밍에 드럼을 치느냐의 정확성과, 음악의 노트정보 내의 드럼의 세기에 따라서 산출되며, 연속으로 이와 같은 요건을 만족 하였을 시, 콤보 점수가 플러스가 되게 된다. 사용자가 드럼을 치면 일렬의 통로 밑의 드럼의 해당 부분이 불빛을 내고, 해당 드럼의 그래픽이 흔들리게 되어 자신이 직접 드럼을 친 것 같은 느낌을 제공해 준다.

3.2.3 연습 모드

Magic Drum 연습 모드

PRACTICE모드는 이름 그대로 사용자가 드럼을 연습을 좀 더 자유롭게 할 수 있는 환경을 제공한다. 연습모드에서는 배경 음악이 제공되지 않으며, 그로 인해 사용자 자신의 드럼 소리에 더욱 집중해서 연습할 수 있다. 그리고 PLAY모드와 마찬가지로 사용자가 드럼을 쳤을 때, 화면에 보이는 해당드럼에 시각적 효과를 주어 사용자가 실제로 드럼을 친듯한 느낌을 준다.
4장에 설명되는 따라 하기 식의 강좌는 Magic Drum의 연습모드의 일부분을 만드는 형태로 진행될 것이다.

3.2.4 음악 등록 모드

Magic Drum 음악 등록 모드

음악 등록 모드에서는 기존에 리듬게임이 한정적인 음악 제공방식을 탈피해서 사용자가 직접 MP3파일을 게임의 배경음악으로 사용할 수 있다. 그리고 등록한 음악을 드럼음원 분리 처리를 해서 드럼 소리가 제거된 음악을 사용 하는 것이 가능하다. 드럼 소리가 제거된 음악은 PLAY모드에서 사용자에게 자신의 드럼소리로 음악을 완성하는 느낌을 주어 더욱 실제감을 높여준다. 또한 기본적으로 mp3 포맷을 지원하며 사용자가 원하는 곡을 선택했다면 그 곡의 mp3 헤더에서 음악의 전체 길이와 곡 이름 등의 정보를 가져 오게 된다. 음악의 총 재생 시간이 180초 라면 각 1초마다 0.1초 단위로 타이밍을 분해하여 사용자가 음악에 PLAY모드에서 사용할 태그(음악에서 드럼의 소리의 시점을 시각적으로 표시하는 원모양의 물체)를 직접 등록할 수 도 있다.

음악 등록 모드에서는 앞서 설명했듯이 단순히 mp3 파일을 가지고 연주할 곡을 만드는 작업만 하는 것은 아니다. 사용자의 선택 사항에 따라서 연주할 곡에 이미 들어 있는 드럼 음원을 제거 할 것인지 아닌지를 선택적으로 수행할 수 있다. 예를 들자면 A라는 곡이 원곡에는 드럼 소리가 들어있는데 Magic Drum에서 사용하려고 음악 등록 모드에서 곡 등록을 할 때 A라는 곡의 드럼 소리만 제거해서 저장할 수 있다는 것이다. 이러한 기능을 제작하기 위해 우리는 “비음수 행렬의 부분적 공동 분해를 이용한 드럼 음원 분리, 유지호, 한국정보과학회 2009 가을 학술발표논문집 36권 2호 p215~220”의 이론과 수식을 참고하였다.

4. 실습

4_1 개발 목표

지금부터 Magic Drum을 제작하는 과정을 구체적으로 살펴보겠다. 위에서 보여드렸던 모든 부분을 다 수록하기 위해서는 너무나 많은 분량과 시간이 필요하기 때문에 여기에서는 Magic Drum에서 중요한 역할을 하는 하드웨어 모듈 제작과, 제작한 모듈을 PC에 연결하여 Magic Drum 연습 모드를 구현하는 것을 목표로 한다. 실제 Magic Drum의 Drum Manager는 강약을 구별 하는 기능이 있지만 실습 예제에서는 강, 약 구별없이 진동 자체를 감지하는 내용으로 구성하였다.

4_2 하드웨어 제작

4.2.1 HW 모듈 구성
Magic Drum은 Snare, Small Tom, Large Tom, Floor Tom, Bass, Hi-hat, Crash 의 7가지로 구성되어 있다. 각 드럼마다 진동을 감지하여 신호를 날리고, 각각의 신호를 수신하여 PC로 전송해주려면 Drum Manager 7개와 PC에 연결 될 Zigbee 모듈 1개가 필요하다. 한 종류의 모듈로 수신, 발신 기능을 다 할 수 있도록 제작하여 사용 편의성을 높였다.
Drum Manager은 센서의 진동을 받아 증폭시켜주는 증폭 부분, 증폭된 신호를 처리하여 시리얼 통신을 통하여 전송해주는 MCU부분, MCU에서 받은 데이터를 전송해주는 인터페이스 부분으로 나누어져 있다. 또한 휴대 및 설치의 편의를 위한 배터리 및 전원부분을 함께 구성하였다.

4.2.2 회로도
Drum Manager의 회로도를 첨부하였다. 하드웨어 아키텍처에서도 알 수 있듯이 회로가 복잡하지 않고 간단한 편이다.

4.2.2.1 센서 증폭부

센서 증폭부

센서부이다. 피에조 필름 센서에서 들어오는 신호를 opamp를 이용하여 증폭한다.

4.2.2.2 MCU부

MCU부

MCU부이다. MCU로는 ATmega32L을 사용하였으며, 기본 동작을 위한 주변 회로 외에 상태를 알 수 있도록 LED를 추가하였다. 이 부분은 MCU의 동작에만 필요한 부분이므로 시중에 판매되는 MCU 모듈을 사용해도 무방하다.

4.2.2.3 인터페이스 부

인터페이스부

Drum Manager가 다른 모듈 또는 PC와 통신하기 위한 부분이다. PC와 연결을 USB로 쉽게 할 수 있도록 FT232RL을 사용하였다. FTDI 사의 FT232 칩은 UART통신을 USB로 연결할 수 있도록 해준다. 이 칩을 사용해서 PC에 드라이버를 설치하여 연결하면 Windows의 장치 관리자에서 COM 포트로 인식이 된다.
센서 값을 전송해주는 Zigbee 모듈의 경우 Digi사의 XBee 를 사용하였다. ATmega32L은 UART가 하나밖에 없기 때문에 스위치를 이용하여 드럼 모듈일 경우와 PC 수신 모듈일 경우를 선택하여 사용할 수 있도록 하였다.

4.2.2.4 전원부

전원부

Drum Manager에서는 USB를 연결할 경우 공급되는 전원이 5V, 배터리는 리튬폴리머 1cell 배터리를 사용하여 3.7 V이며, ATmega32L과 XBee는 동작전압이 3.3V, FT232RL은 5V에서 동작하므로 각각에 맞게 전원을 구성하였다.
또한 배터리 충전을 위해 충전IC를 부착하여 별도로 배터리를 분리하고 충전기를 별도로 이용해야 하는 불편함을 줄였다.

4.2.2.5 PCB제작

PCB 제작

Drum Manager는 물건에 부착되어 지속적으로 진동의 영향을 받기 때문에 동작의 안정성과 소형화를 위해서 PCB로 제작하였다. 반드시 PCB제작을 하지 않아도 동작여부에는 큰 차이가 없다.

4.2.3 부품 목록
필요한 부품들은 모두 회로도 상에 나타나 있으나, 제작 시 편의를 위해 별도로 표로 정리해 두었다. 이 표는 모듈 1개를 기준으로 한 부품의 목록이며, 전체 제작을 위해서는 각 부품 수량의 7배와 Zigbee 모듈 1개 추가로 준비하여야 한다.

[Drum Manager 부품]

4.2.4 예제 코드

MCU 소스 코드

Drum Manager의 소스 코드이다. 컴파일 환경 설정 및 기타 레지스터 설정은 생략하고, 센서 값을 받아서 PC 로 보내주는 부분만 수록하였다.
코드 내용은 단순한 방법으로 구현되어 있다. 10bit ADC를 Free Running 모드로 동작시키고, 들어온 값을 지속적으로 검사하여 진동으로서 감지하기 위한 특정 값을 넘을 경우 샘플을 여러 개 취하고, 다시 평균값을 내어 기준치를 두고 비교하여 드럼 타격 여부를 시리얼 통신으로 보내주는 방식이다. 이때 드럼 타격 여부를 결정하는 기준치는 실험적으로 얻은 값으로, 센서나 주변 환경에 따라 달라질 수 있다.

4_3 하드웨어 – 소프트웨어 연결

4.3.1 Zigbee 설정
XBee의 설정은 Digi 사에서 제공하는 X-CTU라는 프로그램을 이용해서 설정한다.
구체적인 설정 방법은 일일이 지면에 싣기보다는 툴 제공 회사의 가이드 파일을 참고하는 것이 좋을 듯 하여 아래에 링크를 기재하였다.
X-CTU 다운로드 링크 : http://ftp1.digi.com/support/utilities/40002637_c.exe
X-CTU 사용법 링크 : http://ftp1.digi.com/support/documentation/90001003_A.pdf
참고로 Drum Manager에서는 baud rate 를 19200으로 설정하였다.

4.3.2 PC와 하드웨어 모듈의 연결
PC와 모듈과의 연결은 USB to UART IC인 FT232RL을 사용하였다. FT232RL 드라이버를 설치하고 장치관리자를 확인하면 COM 포트가 추가되어 있는 것을 확인할 수 있다. 장치관리자에서 COM포트 번호를 확인하고, 추후 PC 소프트웨어 제작 시 해당 포트번호를 참고하여야 한다.
FT232RL의 드라이버는 아래 링크에서 다운로드 받을 수 있다.
FT232RL 드라이버 링크 : http://www.ftdichip.com/FTDrivers.htm

4_4 소프트웨어 제작

4.4.1 시리얼 포트 연결
Magic Drum 프로젝트는 WPF(Window Presentation Foundation)를 사용하여 만들어 졌다. WPF의 프로그래밍 로직은 C# 언어를 이용하여 코드를 작성되기 때문에 아래의 예제 코드들은 C# 언어를 이용하여 기술하였다. 이 예제를 이해하기 위한 기본적인 객체지향 개념이나 프로그래밍 언어의 문법을 설명하며 진행하기에는 이 실습의 목적과 부합하지 않으므로 생략하도록 하겠다.
Magic Drum는 2장의 아키텍처란에서 설명했듯이 기본적으로 하드웨어(Drum Manager)-소프트웨어(Windows Program) 간의 통신으로 진행된다. 사용자가 입력한 내용은 Zigbee 네트워크를 통해 Drum Manager로부터 PC로 전송되기 때문에 PC에서 해야 하는 일중 가장 중요한 부분은 일단 자신에게 수신된 Zigbee 네트워크의 메시지를 확인하여야 한다는 것이다.
Magic Drum에 사용된 XBee Zigbee 모듈은 4.3장에서 설명했듯이 Windows에서 PC에 부착 된 Zigbee 모듈을 SerialPort로 인식하고 있다. 내 컴퓨터->속성->장치관리자->포트를 통해서 PC에 장착 된 Zigbee 모듈의 포트 넘버를 확인 할 수 있으며 ‘COM1’~‘COM10’ 등으로 이름이 지어진다. Zigbee 모듈이 연결된 SerialPort에 들어오는 메시지가 있을 때를 이벤트 발생 시점으로 하여 이 이벤트가 발생하였을 때 드럼 소리가 나게 하는 것을 이 예제의 목표로 한다.
이 예제를 수행하기 위해서는 크게 아래의 세 가지 과정을 거치게 된다.

1. PC에 Zigbee 모듈이 연결된 시리얼 포트에 접근
2. 시리얼포트에 데이터가 왔을 때 이벤트를 발생 시키도록 설정
3. 이벤트가 발생 하였을 때 드럼 소리를 내도록 설정

C#에서 SerialPort를 접근하기 위해서는 상단의 그림에서 빨간색 테두리로 표시되어 되어있는 System.IO.Ports; 라는 네임스페이스를 라이브러리로 추가해 주어야 사용할 수 있다.

시리얼포트 객체 생성 및 이벤트 추가

먼저 SerialPort를 사용하기 위해서는 SerialPort 객체를 생성하여야 하는데 예제 코드에서는 dmPort라는 이름으로 객체를 생성하였다. SerialPort 객체를 생성 한 후에는 해당 객체의 정보에 대해서 설정 할 수 있다.

네임스페이스 추가

상단에 표시 된 그림처럼 PortName, BaudRate, DataBits, Parity, StopBits 등을 설정하여 주어야 한다. 설정 값에 대한 부분에 있어서는 컴퓨터의 SerialPort에 연결 된 Zigbee 모듈의 스펙에 따라야 하는데 Magic Drum에서 사용한 Zigbee 모듈인 XBee모델의 스펙은 위 그림에 설정 되어있는 내용과 같다.
만약 시리얼 포트의 설정값의 의미에 대해서 자세히 알고 싶다면 위키피디아를 통해서 찾아 볼 수 있다. http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_port
여기서 예외적으로 PortName에 대해서는 Windows에서 Zigbee 모듈을 인식한 SerialPort 이름을 기술하여야 한다. 필자의 경우에는 Zigbee 모듈을 연결 했을 시 Windows에서 “COM4”로 인식하였기 때문에 PortName에 “COM4”를 입력하였다.
모든 설정 값 입력이 끝났다면 생성한 객체에 Open() 메서드를 호출함으로써 자신이 작성한 프로그램에서 Windows 시스템의 SerialPort에 직접 접근할 수 있다. 여기까지의 내용이 이전 페이지의 ①의 과정에 해당한다.

4.4.2 시리얼 포트 이벤트 발생
SerialPort에 접근 하는 것까지 성공했다면 해당 포트에 데이터가 도착했을 때 이벤트를 발생하도록 코드를 작성하면 된다. 이는 사용자 관점에서 봤을 때 Magic Drum에서 사용자가 드럼을 가격하였을 때를 감지하는 이벤트를 지정하는 역할을 뜻한다.

해당 역할을 수행하는 코드는 아래와 같다.

dmPort.DataReceived += new SerialPortReceivedEventHandler(this.dmport_Received);

dmPort.DataReceived는 dmPort 객체에 연결된 SerialPort에 데이터가 도착했을 때를 뜻한다.
여기에 new SerialPortReceivedEventHandler(this.dmport_Received)를 추가하는 것(+=)은 SerialPort에 데이터가 도착했을 때 호출할 메서드를 지정하는 것이다. 이 예제에서 지정한 호출될 메서드의 이름은 this.dmport_Received이고 결과적으로 보았을 때 SerialPort에서 새로운 데이터가 감지되면 dmport_Received 메서드가 호출이 된다.

이벤트 처리

dmport_Received에 메서드에서 할 일을 지정하면 된다.
만약 이 메서드에서 수행하는 일 중에서 사용자 UI 부분을 제어하는 부분이 있다면 상단의 그림처럼 Dispatcher.invoke 함수를 이용하여야 한다.
이는 윈도우즈 프로그래밍에 관한 특성으로 UI Thread에서 분리된 Background Thread는 UI Thread에서 작성 된 Widget들을 직접적으로 업데이트 할 수 없기 때문이다. 만약 직접적으로 이 부분에서 UI를 업데이트 하려 한다면 프로그램에 오류가 발생 할 것이다.
만약 Dispatcher에 대해서 더 자세한 내용을 알고 싶다면 Microsoft사의 msdn 홈페이지에서 해당 내용을 찾을 수 있다. http://msdn.microsoft.com/ko-kr/library/system.windows.threading.dispatcher.aspx

4.4.3 이벤트에 드럼 사운드 설정
C#에서 소리를 재생시킬 수 있는 라이브러리를 제공하지만 프로젝트를 진행하며 실험해 본 결과 약간의 지연이 발생하였다. 그 문제를 해결하기 위하여 우리는 DirectX SDK를 사용하였다.
DirectX SDK를 사용하기 위해서는 Microsoft에서 제공하는 설치 파일을 다운받아서 설치하면 된다.
http://msdn.microsoft.com/en-us/directx/aa937788

DirectX SDK 추가

상단의 그림에서 빨간 네모 박스 안에 있는 2가지의 라이브러리를 추가 시키면 DirectX SDK를 사용하여 소리를 재생할 수 있다. 이제 사운드로 재생시키기 위해서 사운드를 재생시키는 클래스를 한 개 생성해보도록 하겠다.

사운드 재생 클래스

클래스의 이름은 Sound Manager라고 이름을 지었다. 그리고 클래스 내부에 Audio 클래스를 snd_kick라는 이름으로 만들고 Sound Manager가 인스턴스될 때 생성자가 호출되어서 드럼에서 Kick에 해당하는 음이 들어가 있는 kick.wav 을 불러와서 snd_kick로 인스턴스 되어 생성된다.
new Audio()의 생성자로는 wav 파일의 윈도우즈 상에서의 경로를 뜻한다. 필자는 이 프로그램의 경로 아래 (프로그램경로)\Sound\kick.wav 파일을 위치시킨 다음 진행을 하였다.
조금 전에 생성한 dmport_Received라는 메서드 안에서 play Kick()이라는 메서드를 호출 하면 Kick 소리가 재생되는 것을 들을 수 있을 것이다.

5. 음원추출

5_1 음원 추출 과정 개요
① 원본 음악mp3 파일을 가져온다.
② 연산을 좀더 쉽게 하기 위해 mp3를 WAV 포맷으로 변환해준다.
③ wav포맷의 사운드 데이터를 스펙트로그램(Spectrogram)화 시킨다. 스펙트로그램화된 데이터에 비음수 행렬 공동분해를 이용하여 드럼과 화성악기 부분을 분리한다.
④ 드럼이 분리된 사운드 행렬 데이터를 다시 WAV포맷으로 변환한다.
⑤ wav포맷을 mp3로 변환한다.

음원 행렬 추출 과정

드럼음원을 분해하기 위한 mp3파일은 먼저 wav파일로 바뀌게 된다. 대부분의 mp3음악은 스테레오로 되어있으므로 변화된 wav파일을 채널별로 나누게 된다. wav파일의 데이터는 음수와 양수가 섞여 있다. 우리는 비음수 행렬분해를 이용한 방법을 써야 하므로, 절대 값을 취해준다. 또한 위상 값을 따로 담아 둔다. 앞서서 얻은 비음수 행렬로 업데이트 식을 연산한다. 여기서 필요하게 되는 사전드럼음원 정보를 로드해 연산에 이용한다. 연산된 데이터를 앞에서 저장해둔 위상 값과 합치고 역 스펙트로그램화 시키고 wav파일을 만든다. 앞서 채널을 스테레오로 2개가 존재하므로 각각의 채널에 위와 같은 순서를 적용한다. 각각의 채널의 웨이브 데이터가 생성되면 다시 합쳐 mp3파일의 형태로 재구성하게 된다.

6.역할 분담

Magic Drum팀, 좌측부터 박병조, 이호섭, 이종혁, 박지훈

7. 개발 환경

8. 용어 정리

2010 디바이스마트

캡스톤 디자인 공모전 우수작

전자 오카리나

팀명 : Soul Music
참가자 : 백제동

	Soul music 팀 구성 및 소개 코딩과 납땜으로 지친 몸과 마음을 오카리나라는 피리를 불며 달래는 평범한 공대생입니다. 뼛속까지 엔지니어의 피가 흐르는지 어쩐지 잘 모르겠지만 광운대 전자과를 졸업하고 대학원까지 도전 하게 된 석사과정 3학기 백재동이라고 합니다. 항상 새로운 작품을 갈구하며 눈치를 보다 캡스톤 공모전에 도전하게 되었습니다.대학교 졸업작품으로 홍릉과학출판사를 통해 공저자로 무선통신과 임베디드 시스템을 활용한 종합설계라는 책도 출간해 보았고, 허접하지만 블로그(http://rabe.egloos.com)도 운영하고 있습니다.
	오카리나 소개 오카리나는 도자기피리 또는 흙피리로 불리는 악기입니다. 이런 예명을 갖게 된 이유는 진흙으로 모양을 만들고 가마에서 구워서 완성되기 때문입니다. 연주하기에 쉽고 가격도 비교적 저렴하고 소리도 좋아 취미로 많이 각광받고 있습니다.

악기 소리의 특징 및 설계방향

악기 소리와 기계적인 비프음의 차이는 크게 두 가지가 있습니다. 첫번째로 악기는 음계의 정확한 주파수에 맞는 소리파형을 만들어 낸다는 것입니다. 두번째로 악기는 하모닉스 또는 배음이라고 하는 음계 주파수 이외의 높은 주파수를 포함하고 있습니다.
음계 주파수는 440Hz를 기본 ‘라’ 음으로 하고, 한 옥타브가 높을 경우 주파수가 2배가 되고 한 옥타브가 낮을 경우 반으로 줄어들게 됩니다. 한 옥타브에 포함되는 음계의 수는 반음을 포함하여 12개가 있는데 한 음이 올라갈 때마다 이전 음계 주파수에 2112를 곱하면 됩니다.

그림1. 오카리나 소리의 주파수 스펙트럼

그림1-오카리나 소리의 주파수 스펙트럼은 녹음된 오카리나의 주파수 스펙트럼인데 기본음계 주파수의 크기가 가장크고 2배음~6배음까지는 작은 것이 보일겁니다.  실제 오카리나와 최대한 비슷하게 구현하여야 하겠지만, 현실적으로 배음을 똑같이 합성하기 위해서는 굉장히 많은 연산을 수행하여야 합니다.
그래서 필자는 이와 비슷하게 배음 성분을 가지고 있으면서 파형을 합성할 때 연산량이 획기적으로 적은 톱니파를 사용하기로 하였습니다. 톱니파의 모양과 주파수 스펙트럼은 다음 그림과 같습니다. 톱니파의 합성의 경우 단순히 바이너리 카운트 값을 DAC로 입력하여 주기만 하기 때문에 간단하면서도 그럭저럭 괜찮은 소리를 합성하는 효과적인 방법이고 할 수 있습니다.

그림2. 톱날파의 파형과 주파수 스펙트럼

터치센서

최근 터치센서 IC가 많이 출시되어 스위치 대용으로 사용되고 있습니다. 디바이스트에서 판매중인 ADM801 터치센서의 경우 가격, 반응속도, 사용상의 편의성 등이 상대적으로 우수합니다. 또한, 예전에는 정전방식의 터치센서를 사용하기 위해서는 IC 주위에 특정 용량의 저항과 캐패시터를 필요로 하고, 손이 닫는 메탈 플레이트 부분도 따로 제작하거나 구입하여야 했는데 ADM801은 VCC, GND, Vout 만 연결하면 되기 때문에 사용하기에 간편합니다.
아직은 터치 센서가 버튼 보다 비싸긴 하지만 여러모로 장점이 있습니다. 터치 센서는 버튼과 비교하여 과도한 힘이 들어가지 않으며 눌렀을 때 기계적인 ON/OFF 소음이 없고, ON/OFF 순간의 노이즈가 적습니다.

그림3. 터치센서(ADM801)

전체 회로 설명

그림4. 전자오카리나 전체 회로 구조

전자 오카리나는 크게 FPGA 부분과 마이크로컨트롤러(AVR) 부분으로 나누어집니다. FPGA에서는 터치센서에서 입력되는 값을 오카리나의 운지법에 맞게 음계 바이너리 값으로 변환하는 역할과 바람세기의 값에 따라 톱날파의 진폭을 조절하며 디지털 파형을 출력하는 역할을 합니다. 마이크로 컨트롤러에서는 내장된 ADC를 사용하여 기압센서에서 입력되는 바람세기 값을 FPGA로 보내주는 역할과 FPGA에서 보내주는 음계 값을 LED로 표시하는 역할을 합니다.
FPGA에서 생성된 디지털 파형은 DAC를 통하여 아날로그 전압의 형태로 변환된 후 에코회로를 통과 후 앰프로 증폭된 후 스피커를 통하여 소리로 변환됩니다.

FPGA 회로구성

그림5. XC3S400 FPGA 모듈

FPGA는 M2CV에서 제작한 모듈을 사용하였고, 모듈의 핀에 연결된 회로는 <표 1>과 <표 2>에 표시되어 있습니다.

FPGA J1 커넥터 연결 부품	FPGA J2 커넥터 연결 부품

AVR 회로구성

AVR 모듈(MAT128-10)

AVR 모듈은 MAT128-10을 사용하였고, 핀 할당은 그림 7에 나타나 있습니다. 음계 표시 LED는 2색 LED를 사용하여 AVR에서 두 개의 포트를 사용합니다. PORTE는 UART 통신을 위하여 비워두고 나머지 포트를 사용했습니다.

그림 7. AVR 연결

DAC 회로구성
FPGA 내부에서 생성한 디지털 파형을 현실 세계의 아날로그 파형으로 변환하기 위하여 DAC 칩을 사용하였습니다. DAC 부품을 선택할 때 가장 중요하게 보았던 부분은 DIP 타입의 패키지로 납땜이 쉬우면서도 디지털 파형 입력을 쉽게 할 수 있는지 여부입니다. 이러한 면에서 DAC0800은 제일 적합하였지만 -5V를 필요로 하는 방식이기에 많이 망설였습니다. 제어하기 쉬운 장점도 있었고 비동기 방식으로 디지털 파형을 입력하므로 높은 주파수의 파형을 출력 할 때에는 노이즈 성분도 많이 발생하였습니다.

그림8. DAC 연결

FPGA HDL 코딩

그림9. FPGA 내부 파형 생성 블록 다이어그램

<그림 9>는 FPGA 내부의 소리를 합성하는 부분의 블록도입니다.
음계 인코더 부분은 오카리나의 운지에 따라 도는 1, 레는 2,… 이런식으로 변환을 하여 줍니다. 음계 주파수 카운터 롬은 각각의 음계의 정확한 주파수를 출력하기 위하여 출력 파형의 한 샘플을 FPGA의 기본클럭(80Mhz)으로 카운트 하면서 유지하여야 하는지에 대한 값입니다. 카운터는 8비트 카운터로 음계 주파수 카운터 롬에서 입력되는 값만큼 카운터를 하면 출력 카운터를 1 증가시키는 역할을 합니다. 예를 들어 음계 주파수 카운터 롬에서 10 이라는 숫자가 카운터 블록에 입력되면 톱날파 한 주기를 출력하는데는 10 × 256 = 2560 의 클럭이 소요된 것이고, 이를 실제 시간으로 변환할 경우 12.5[ns] × 2560 = 32[us]가 되고, 최종적으로 톱니파의 주파수는 1/0.000032 = 31.250[KHz] 가 됩니다.

AVR 펌웨어 개발
AVR 펌웨어를 컴파일 하기 위하여 필자는 코드비전 2.x 를 사용하였습니다. 코드비전은 프로젝트를 생성할 때 GUI 형태로 옵션을 설정하면 기본적인 코드가 생성되어 AVR을 잘 모르는 초보가 사용하기에 편합니다. 필자 역시 AVR은 초보이기에 코드비전 밖에는 사용할 줄 모르지만 코디비전으로 바람센서에서 사용했던 ADC기능을 간단하게나마 알려드리겠습니다.
ADC를 가장 쉽고 안전하게(?) 사용하는 방법은 ADC 동작 클럭을 최대한 낮추는 것입니다. 프로젝트 생성 시에 Chip 옵션중에 Crystal Oscillator Divider Enabled 라는 옵션이 있는데, 이것은 기본 클럭을 분주해서 사용하겠다는 의미 입니다. 필자의 경우 기본클럭을 64로 나누라고 설정하였습니다. 이렇게 클럭 분주 옵션을 설정하게 되면 ADC 탭의 동장 주파수 부분도 맞춰서 낮아지게 됩니다.

그림 10. 코드비전의 프로젝트 생성 중 Chip 설정	그림 11. 코드비전의 프로젝트 생성 중 ADC 설정

소스코드 부분은 ADC와 관련된 부분만 추려서 기재하였습니다. PF0에 연결된 바람센서의 전압값을 읽어오기 위해서는 read_adc(0); 을 호출하고 리턴값을 사용하면 됩니다.
<소스코드 1>은 AVR의 핀을 사용하고 실제 회로를 납땜하는 문제 때문에 PORTF에 바람센서의 ADC 입력과 바람의 크기의 디지털 출력이 할당하게 되어 두 기능이 충돌되지 않도록 동작하는 코드입니다.

<소스코드 > AVR 펌웨어의 주요 소스코드

에코 이펙트 회로

그림11. 에코 이펙트 회로

음향관련 분야에서 보았을 때 이펙트는 소리를 보다 듣기 좋게 꾸며주는 역할을 합니다. 마치 사진을 찍고 난 후 포토샵을 통해서 보기 좋게 수정하는 것과 같다고 보시면 됩니다. 노래방 마이크에는 에코 이펙트가 추가되어있어서 노래방에서 부르면 더 잘 부르는것처럼 들려지게 들립니다. 에코는 노래 뿐만 아니라 악기 연주 시에도 많이 사용되며 특히 오카리나와 같은 관악기에는 거의 필수적으로 사용됩니다.
에코 이펙트는 소리를 메아리처럼 울리는 역할을 합니다. 에코 이펙트 회로를 분석하기 위해 디바이스마트에서 판매중인 MX044(3채널 가라오케 마이크 믹서) 키트를 사용하여 에코 IC의 성능도 확인하였고, 어떤 IC를 사용하는지도 확인하였습니다.

회로 완성

그림12. 전자 오카리나 사진	그림13. 전자 오카리나의 윗면 회로	그림14. 전자 오카리나의 아랫면 회로

회로가 복잡하여 실제 연주가 가능한 형태로 제작하기 위해 2개의 기판을 사용하게 되었습니다. 윗면에는 FPGA, 터치센서, DAC, 에코 이펙터 회로가 있고, 아랫면에는 AVR, 바람센서, LED, 앰프회로가 있습니다. 바람센서(MPX5010DP) 부분에 취구는 멜로디언의 취구를 사용하였는데 조잡하기도 하고 위생적으로도 문제가 있어 많은 개선이 필요합니다.

공모전 후기

혼자서 캡스톤 공모전 프로젝트를 진행하였는데 생각보다 규모가 방대해서 많이 힘들었습니다. 다른 팀원이 있었더라면 부품구입, 데이터쉬트 분석, 납땜, 문서작업 등의 잡다한 일들을 나누어서 할 수 있었을 테지만 혼자서 모든 일을 하느라 정신도 없고 실수도 많이 한 것 같습니다. 부족한 작품을 공개하기가 많이 부끄럽지만 그래도 누군가에게는(?) 도움이 될 것이라고 믿습니다. 끝으로 캡스톤 공모전을 통해 다양한 부품을 돈 걱정 없이 사용할 수 있도록 경제적인 지원을 해주신 디바이스마트 관계자 분들께 감사하다는 말을 드리고 싶습니다.

캡스톤 디자인 공모전 입선작

소형 인공위성(CANSAT) 개발

팀명 : Dreamers

참가자 : 한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부
[이원규, 최미미, 이찬형, 안도현, 장병규]

DREAMERS 팀 구성 및 소개

현재 한국 항공대학교 항공우주 및 기계공학부에 재학 중인 4학년 학생들로 구성된 팀이며, 평소에 마이크로 컨트롤러를 이용한 로봇제작에 관심이 많은 이들로 구성되었다.
현재 학교 연구 과제에서도, 같은 팀으로 활동하고 있으며, 디바이스마트 캡스톤 공모전에 제출한 작품「고도 500m에서 무선 통신이 가능한 소형 인공위성(CANSAT)」개발과 유사한 로켓에 탑재하여, 대기 정보를 얻을 수 있는 소형 인공위성(캔셋)을 제작 중에 있다.

캔셋(CANSAT)의 정의

음료 캔 사이즈와 무게(400g이하)를 가진 소형 인공위성이다. 학생들의 인공위성에 대한 전반적인 이해 증진에 목적이 있으며, 이에 매년 국제적인 경진대회가 열리기도 한다 (www.cansatcompetition.com/Main.html). 이런 캔셋으로 이번에 우리가 개발한 모델은 KUMSAT-1A이다.

임무목적 및 시나리오

그림1 KUMSAT-1A의 임무 흐름도

KUMSAT-1A는 그림1에서 보듯이 기상 측정용 헬륨 풍선을 이용하여 고도 500m에서 사진 촬영과 온도 측정, 위치정보의 송신 등의 임무를 수행한다.
주어진 임무는 크게 2단계로, ‘초기단계’와 ‘임무단계’로 나뉘어져 운용된다. 우선 전원을 켜면 초기단계가 시작되는데, 이 상태로 GPS 신호를 안정적으로 받을 때까지 대기한다. GPS 신호가 안정적으로 수신되는 것을 확인한 후(약 5분소요)에, 임무단계로 돌입하며 기상 관측용 풍선과 연결 된 상태로 고도 500m까지 상승한다. 목표 고도 500m(또는 1km도 가능)에 이르러 지상국은 KUMSAT-1A로부터 무선으로 사진을 전송 받는다.
지상국에서는 무선으로 사진을 전송받기 위해서 KUMSAT-1A에 Command를 전송하게 된다. 무선으로 사진을 전송 받는데 소요되는 시간은 약 15분 정도이다. 무선 사진 전송이 완료된 후 지상국에서 보내는 Command에 의해, WCD(Wire Cutting Device)의 니크롬선이 가열되어, 기상풍선과 연결되어있는 선을 끊고, KUMSAT-1A는 풍선으로부터 분리된다. 분리 이후 낙하산을 전개하여 낙하하며, 매 6초마다 촬영한 이미지 데이터를 메모리카드에 저장하고, 동시에 낙하하면서 측정한 대기온도와 위치정보를 지상국에 전송한다. 마지막으로 지상국에서 수신된 위치정보(경도·위도)를 토대로 지상국 소프트웨어를 이용하여 KUMSAT-1A의 위치를 파악하여 회수한다.
KUMSAT-1A의 시스템은 실제 인공위성과 같이 크게 탑재체와 버스(Bus)시스템으로 나눌 수 있으며, 버스시스템은 다시 기계 및 구조계(Structure Mechanical Subsystem, SMS), 탑재컴퓨터(On Board Computer, OBC), 전력계(Electrical Power Subsystem, EPS) 및 통신계(Communication Subsystem, CS)의 네 개의 서브시스템으로 구성된다.

기계 및 구조계 (SMS)

기계 및 구조계는 전체 시스템의 제한된 질량 요구조건 내에서 탑재체와 탑재컴퓨터, 통신계, 전력계의 각 부품이 구조적으로 간섭과 배선을 고려하여 개발하였다.
KUMSAT-1A의 질량배분은 표1과 같다.

KUMSAT-1A 구조체의 재료는 Aluminum-7075를 사용하였으며, Aluminum-7075의 물성치는 표2와 같다.

로켓이 발사되는 과정에서 KUMSAT-1A는 약 9G의 중력가속도를 받게 되고, 설계상의 안전계수 2를 적용하면 88.2N의 하중을 받게 된다. 이 경우를 고려하여 ANSYS를 이용, 응력 해석 결과는 그림2와 같다. KUMSAT-1A에 작용하는 최대 응력은 18.756MPa로 재료의 항복 응력인 280MPa에 비하여 매우 작아 하중을 충분히 견딜 수 있을 것으로 보인다.

그림 2	그림 3	그림 4

KUMSAT의 기본 골격은 그림3과 도면1~5와 같이 Main Panel, 두 개의 Side Frame 그리고 Top Cap과 Bottom Cap으로 구성되어 있다. Side Frame의 크기는 2mm×20mm×123mm이며 하중을 지탱하고, 외부에서 올 수 있는 충격 요소로부터 내부를 보호하는 역할을 한다. Main Panel은 2mm×66mm×119mm의 크기로 각 서브시스템의 부품들을 고정하고 GPS 수신기와 카메라가 위 아래 Cap에 잘 고정되도록 설계하였다. Top Cap과 Bottom Cap은 크기가 Φ66mm×10mm로 카메라와 안테나, GPS가 외부를 지향할 수 있도록 하며, 특히 Bottom Cap에는 낙하산을 연결할 수 있도록 하였다.
각 부품의 배치는 그림4에 나타내었다. 이것은 KUMSAT-1A의 부품 배치인데, 풍선과의 연결을 끊기 위한 Wire Cutting Device(WCD) 때문에 배터리는 두 개가 장착된다.

도면 1 ~ 5 보기

도면 1. Top Cap

도면 2. Bottom Cap

도면 3. Side Frame

도면 4. Side Frame

도면 5. Main Panel

조립을 위한 준비물은 다음과 같다. 원할 한 조립을 위해 니퍼와 롱노즈 및 칼, 육각렌치 등을 준비하였다.

위에 사진과 같이 탑재체를 볼트와 너트로 고정하는 방식을 채택하였다.

볼트와 너트로 체결이 힘든 곳은 케이블 타이를 이용하여 체결한다.

카메라와 안테나는 아래를 지향하게 배치하며, GPS는 하늘을 향하게 배치한다.

OBC와 EPS	RF Modem, SD Memory, Batteries

체결을 완성한 모습이다.

WCD(Wire Cutting Device)가 장착된 모습	완성된 KUMSAT

낙하산은 위에 사진과 같이 장착이 되며, 낙하 속도 3m/s로 설계하여 장착하였다.
기상 풍선은 KUMSAT-1A의 무게 및 낙하산 무게, 낚시 줄 및 기타 외부환경요인을 감안하여 2330g을 들어 올릴 수 있는 것으로 선택, 사이언티픽 세일즈에서 30$에 구매를 하였다.

http://www.scientificsales.com/8237-Weather-Balloon-300-Grams-Natural-p/8237.htm

KUMSAT은 기상풍선과 낚시줄로 연결되며 낙하산 또한 낚시줄에 의해 감싸지는 형태를 가진다.

Payload

1) 탑재체 스펙 현황

·카메라 모듈

- Image sensor type : CMOS
- mage data type : JPEG
- Size : W20 x L28 x H24
- Mass : 11g
- Interface : UART
- Power consumption : 200mW

·GPS : FGPMMOPA1

- High Sensitivity -165dBm
- Position Accuracy : < 3m
- Cold start under 37 seconds(typical)
- Maximum acceleration of 4G
- Power consumption : 335mW

· 온도센서 : Digital Thermometer

- 3-wire interface
- 9-Bit Resolution
- Measures temperature range : -55˚C ~ +125˚C
- Converts temperature in 1s at least (max)
- DIP package

2) CMOS 카메라 모듈

KUMSAT의 주요 탑재체는 CMOS 카메라이다. 이 카메라 모듈은 탑재컴퓨터와 UART 통신이 가능하며, 파일 크기가 작은 JPEG 형식을 지원하기 때문에 빠른 데이터 통신이 가능하다. 또한 이미지 크기를 640×480, 320×240, 160×128, 80×64(pixel)의 네 가지 중 하나로 선택할 수 있는데, 640×480의 경우 파일 크기가 약 40kB 내외이며, 320×240의 경우에는 약 10kB 내외이다. 파일 크기가 10kB일 경우 메모리카드에 사진 한 장을 저장하기까지 약 6초의 시간이 걸리며, 이 시간은 파일 크기에 비례한다. 따라서 640×480 크기로 찍을 경우, 임무 시간 내에 촬영 가능한 사진 수에 큰 제약을 받으므로, 320×240의 크기로 약 20장의 사진을 촬영할 수 있도록 절충하였다.
사진 촬영 프로그램의 알고리즘은 그림5에 나타내었다. 우선 카메라와 탑재컴퓨터의 통신을 위해, 동기를 맞추는 과정이 필요하다. 카메라가 Command를 받은 것을 확인하면 카메라는 탑재컴퓨터로 ACK 신호를 보낸다. 그 이후, 이미지 타입과 해상도 등의 기본 설정을 마치고, 사진을 찍으라는 Snapshot Command를 보내고 사진을 받는다. 기본 설정은 초기에 한 번만 수행하며, 그 이후로는 Snapshot과 Get Picture만 반복 수행한다.

그림5

3) GPS 수신기
KUMSAT-1A은 GPS 수신기에서 전송받은 위치 정보(경도·위도·고도)를 지상국에 전송하는 임무를 수행한다. GPS 수신기는 NMEA 형식의 데이터를 UART 통신을 이용하여 KUMSAT-1A의 탑재컴퓨터에 전송한다. 이 때문에, KUMSAT-1A에 필요한 정보를 선별하는 파싱(Parsing) 프로그램이 필요하다. KUMSAT-1A에 필요한 데이터를 파싱하는 소프트웨어의 알고리즘은 그림6과 같다. 탑재된 GPS 수신기는 3m의 위치 정밀도를 가지고 있으며, 정밀한 좌표 정보를 수신하기까지는 약 5분정도의 시간이 소요 된다.

그림 6

4) 온도센서
KUMSAT-1A는 대기온도를 측정하는 임무 또한 수행한다. 온도센서는 회로 구성이 간단한 1-wire 통신을 사용하고, 최소한 매 초마다 온도 변환을 할 수 있으며, 데이터를 디지털 값으로 받아들여 별도의 값 변환을 하지 않아도 되는, 디지털 온도센서를 사용하였다. 이 센서를 탑재한 KUMSAT-1A는 -55˚C 에서 125˚C 까지 온도측정이 가능하며 -10˚C 에서 85˚C 사이에서는 ±0.5˚C 의 정확도를 갖는다.

OBC

KUMSAT-1A에는 하나의 마이크로컨트롤러와 외부메모리(SD카드)로 구성된다. 마이크로컨트롤러는 AVR계열의 ATmega2560을 사용하였다. ATmega2560은 다른 마이크로컨트롤러와 달리 UART Port가 4개까지 지원이 되기 때문에, 이 시스템에 적합하다. 외부메모리는 지상국으로 보내기 위한 카메라의 이미지데이터를 저장하기 위해 장착하였다. 이것 역시 마이크로컨트롤러의 기능을 사용할 수 있으나, 내장된 메모리가 작기 때문에 더 큰 용량의 외부메모리를 사용하였다.

1) 회로도

2) 인터페이스

그림 8. 인터페이스 다이어그램

KUMSAT-1A는 2가지의 내부인터페이스를 사용하게 되는데, UART, 1-Wire를 사용하게 된다. 탑재컴퓨터의 마이크로컨트롤러와 각 서브의 마이크로컨트롤러는 UART를 통해 연결된다. 그리고 온도를 측정하는 센서와 절단을 위한 WCD는 1-Wire를 통해 연결된다.

3) 프로그램

codevisionAVR 2.03.4 를 사용하였으며, 대체적인 흐름은 다음과 같다.

4) OBC Board
KUMSAT-1A내에 효과적인 조립과, 다른 Sub System들과의 적절한 인터페이스 연결을 위해서 OBC Board를 구성하였다. ATMega2560 Module보호를 위해 Board 납땜을 직접적인 연결보다는, 핀헤더소켓 Dual 2×40 Straight(2.0mm)를 이용하여 ATMega2560과 Board를 연결해 주었다.

5) SD Board
SD Module보호를 위해, Board와 직접적인 납땜보다는 핀헤더소켓 Single 1×40 Rightangle(2.54mm)을 납땜을 통해 연결하였고, 전원 및 ATMega2560과의 연결을 위해 몰렉스(male 2핀, 2.54mm피치타입, 스트레이트)를 납땜을 이용해 연결해주었다.

전력계

EPS 전력계는 각 서브 시스템에서 요구하는 전력을 안정적으로 공급하는데 목적이 있다. 각 서브시스템에서 요구하는 전력량은 표-3와 같다.

풍선에 매달아 띄우고 하강시키는데까지 요구되는 미션 타임을 25분 정도로 예상하였고, WCD는 약 10초간 작동 할 것을 감안하였을 때 요구되는 전력량은 약 500mWh이다. 그리하여 시중에서 쉽게 구할 수 있는 9V, 550mAh 용량의 알카라인 배터리 2개를 병렬로 연결하였다.(요구하는 미션 타임에 변동에 따라 배터리수 를 늘리는 것이 가능 하리라 생각된다.) 각 서브시스템에서 요구하는 입력 전압을 공급하기 위하여 두 종류의 Linear type regulator(78T05, 78R33)를 사용하였다.

통신

CS(통신계, Communication System)는 탑재컴퓨터(OBC)의 마이크로 컨트롤러(MCU)가 온도센서, GPS, 카메라로부터 수집한 데이터들을 지상국으로 보내기 위한 수단으로써, RF모뎀과 안테나로 구성되어지며 최대 500m거리에서의 안정적인 데이터 전송을 목적으로 한다. CS의 전체적인 Diagram은 그림9와 같다.

그림 9. CS Diagram

500m이상의 거리에서의 안정적인 통신을 위해 424MHz의 장거리 통신 모뎀을 선택하였으며, 사진전송 시 BER(Bit Error Rate)의 최소화를 위하여 2400bps의 Data Rate을 선택하였고, Link Budget은 다음과 같다.

① 제품선정
보통의 경우 Link Margin이 3dBm이면 통신이 가능하다고 판단하는데, 위의 경우 51dBm이므로 통신에는 아무런 문제가 없다고 할 수 있다. 다만 사진 데이터의 전송 시 BER(Bit Error Rate)로 인하여 온전한 상태의 사진을 전송받지 못할 수도 있다. 따라서 이에 대비하여 KUMSAT내부에 메모리카드를 장착하여 추후 수거가 가능하도록 하였다.
지상에서부터 풍선을 이용하여 상공 500m까지 상승한 뒤 지상에 떨어질 때까지 KUMSAT이 전송하는 각종 데이터들의 프로토콜은 아래와 같다.

또한 위의 Protocol을 1회 전송했다는 것은, 한 장의 사진을 찍었다는 것을 의미하기도 한다. 그리고 RF모뎀의 기능적 특성에 의해서 각 프로토콜 간에는 10초의 지연을 주도록 한다.
풍선으로 KUMSAT-1A를 상승시키기 때문에, 지형적 풍속이나 풍향 온도 등 대기상태를 예상할 수 없기 때문에, 오로지 지상국에서 받는 데이터에 의존해서 상황에 따라 Command를 전송하여 KUMSAT을 제어해야한다. 예를 들어 500m 고도에서 원하는 한 장의 사진을 지상국으로 전송하기 위해서는 “1”라는 Command를 그리고 풍선과 KUMSAT을 분리시키기 위해서는 “4”라는 Cut Command를 지상국으로부터 KUMSAT에 전송하여야 한다.
지상국은 KUMSAT-1A의 CS와 마찬가지로 안테나와 RF모뎀, 그리고 PC로 구성된다. 이 때 사용되는 RF모뎀은 KUMSAT의 RF모뎀과 주파수 및 Data Rate이 같은 것을 사용하도록 한다. 또한 지상국은 위의 구성요소 외에, 실시간으로 송수신 Data의 저장 및 확인이 가능하고 제어가 가능한 소프트웨어를 사용한다.
위와 같이 전체적인 개념을 잡고 실제 KUMSAT-1A에의 장착을 위한 제품 선정 및 Board를 세팅하면 아래와 같다.
① 제품선정

Item IRF 4020P Frequency (MHz) 424 Sensitivity (dBm) -122 Data Rate (bps) 2400 Output Power (mW) 10 Current Consumption (mA) 60 Size (mm) 30X45X11

Item 1/2 Ramda Whip Antenna Radiation Pattern Omni-Directional Antenna Gain (dBi) -≤2 Antenna Length (mm) 345 Operating Temperature (℃) -30~+70℃

② Board 추가
KUMSAT내에 효과적인 조립과 다른 Sub System들과의 적절한 interface연결을 위해서, 인두기를 이용하여 추가적인 Board를 납땜한다.

③ 조립
실제 KUMSAT에 RF모뎀이 장착된 모습으로 RF모뎀 상단에 공간의 효율적 사용을 위해서 배터리 1개가 위치한다.

④ KUMSAT상승 후 Data 전송 (지상국)

지상국은 앞장에서 말한 것처럼 KUMSAT-1A와 같은 사양의 안테나와 RF모뎀을 사용하며, ISP를 이용하여 PC에 연결한다. 이때, 지상국에서 안테나 Gain이 더 높은 지향성의(예, Yagi Antenna)안테나를 사용하면 더 높고, 먼 거리에서도 안정적으로 Data를 받을 수 있다. 다만 대상 물체를 비교적 정확하게(일정 각 범위내로) 조준하여야 한다는 제한조건이 붙는다. 지상국에서는 With Robot의 Comport Master라는 소프트웨어를 사용하였는데, 이는 With Robot(www.withrobot.com/118)에서 쉽게 다운받을 수 있으며, 이 프로그램을 통해서 KUMSAT과의 양방향통신 및 수신 데이터의 확인 및 저장이 가능하다.

⑤ 실제 수신 받은 Data

3D Route(위도, 경도, 고도)	2D Route(위도, 경도)
Altitude-Temperature Data	Image Data

SD 메모리카드에 저장된 Image Data

디바이스마트 대한민국

이공계 기(氣)살리기 프로젝트 제1회

캡스톤 디자인 공모전

시상식 개최

 글 | 정현진 기자 blue7563@ntrex.co.kr

2010년 8월부터 약 5개월간 진행되었던 제1회 디바이스마트 캡스톤 디자인 공모전이 지난 2월 18일에 열린 최종발표와 시상식을 끝으로 막을 내렸다.  올해 처음으로 실시한 공모전에서, 부산 경성대학교 학생 4명으로 이루어진 MagicDrum팀이 1등을 차지했다. 그 발표와 시상식 현장을 소개한다.

“대한민국 이공계 기살리기 프로젝트” 라는 타이틀 아래 공학분야의 활성화와, 경쟁력 강화에 보탬이 되고자 실시한 이번 대회에는 올해 처음으로 실시한 것 치고는 꽤 뜨거운 반응을 보였고, 여러 팀들이 각자의 뛰어난 창의력과 지식을 바탕으로 참가하였다. 그 중 가장 우수한 제안으로 신청한 3팀이 선정되어, 약 4개월간 디바이스마트의 지원을 받으며 작품제작에 힘써, 좋은 결과물을 얻을 수 있었고, 그에 대한 최종 발표가 시상식 당일에 이루어졌다.
이 날 발표회에 참가한 3팀을 간략하게 소개하면,

Magic Drum / 경성대학교 박병조외 3명 – 최우수상 드럼음원분리와 지그비 통신을 이용한 전자 드럼 게임 공간적, 금전적 제약이 많은 드럼이라는 악기에 대하여, 지그비 통신을 이용하여 언제 어디서든 즐길 수 있는 전자드럼 모듈을 개발함으로써, 드럼에 관심있는 사람들에게 공간적, 금전적 제약을 줄여주겠다는 취지의 프로젝트.

Soul Music / 광운대학교 백재동 – 우수상 전자 오카리나 코딩과 납땜으로 지친 몸과 마음을 오카리나라는 피리를 불며 달래는 공대생으로, 인터넷을 통하여 여러 전자 악기에 대해 알게 되었고, 오카리나도 전자악기로 만들 수 있을거 같았고, 깨지기쉬운 오카리나를 전자오카리나로 대체함으로서 내구성과 다양한 시각적효과를 더하여 여러가지 흥미를 유도 할수 있으리라는 기대감으로 시작한 프로젝트.

Dreamers / 한국항공대학교 이원규외 5명 – 입선 소형 인공위성 CANSAT 개발 마이크로컨트롤러를 이용하여 저비용으로 실제 인공위성과 유사한 시스템을 직접 설계, 제작하여 기상 풍선에 싣고 센싱, 통신 등을 통해 실제 인공위성의 기능을 직접 시현하고자 제안한 프로젝트.

이 3팀이 4개월간의 제작과정 및 결과에 대한 발표, 작품 시연 등을 마치고, 잠시 휴식시간을 가진 뒤 바로 시상식이 진행되었다.
입선작에는 한국항공대학교팀의 소형인공위성이 선정되었고, 우수작에는 광운대학교팀의 전자 오카리나가 선정되었으며, 최우수상은 누구나 흥미를 가지고 다가갈 수 있는 전자드럼게임을 만든 경성대학교팀에게 돌아갔다.

이번 대회를 통해서 대한민국 공학계의 밝은 미래를 볼수 있었으며, 곧바로 제2회 공모전의 참가신청 접수가 시작된다고 하니, 이번 대회보다 더 참신하고 다양한 작품들을 기대해본다. 각 프로젝트에 대한 자세한 내용은 디바이스마트 매거진에서 천천히 만나보기로 하고, 시상식 후기를 마친다.